Top Banner
Sustainability 2021, 13, 13938. https://doi.org/10.3390/su132413938 www.mdpi.com/journal/sustainability Review A Critical Assessment on Functional Attributes and Degradation Mechanism of Membrane Electrode Assembly Components in Direct Methanol Fuel Cells Arunkumar Jayakumar 1, *, Dinesh Kumar Madheswaran 1 and Nallapaneni Manoj Kumar 2, * 1 Green Vehicle Technology Research Centre, Department of Automobile Engineering, SRM Institute of Science and Technology, Kattankulathur 603203, India; [email protected] 2 School of Energy and Environment, City University of Hong Kong, Kowloon, Hong Kong * Correspondence: [email protected] (A.J.); [email protected] (N.M.K.) Abstract: Direct methanol fuel cells (DMFC) are typically a subset of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) that possess benefits such as fuel flexibility, reduction in plant balance, and benign operation. Due to their benefits, DMFCs could play a substantial role in the future, specifically in replacing Liion batteries for portable and military applications. However, the critical concern with DMFCs is the degradation and inadequate reliability that affect the overall value chain and can potentially impede the commercialization of DMFCs. As a consequence, a reliability assessment can provide more insight into a DMFC component’s attributes. The membrane electrode assembly (MEA) is the integral component of the DMFC stack. A comprehensive understanding of its functional attributes and degradation mechanism plays a significant role in its commercialization. The methanol crossover through the membrane, carbon monoxide poisoning, high anode polarization by methanol oxidation, and operating parameters such as temperature, humidity, and others are significant contributions to MEA degradation. In addition, inadequate reliability of the MEA impacts the failure mechanism of DMFC, resulting in poor efficiency. Consequently, this paper provides a comprehensive assessment of several factors leading to the MEA degradation mechanism in order to develop a holistic understanding. Keywords: direct methanol fuel cells (DMFCs); polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs); membrane electrode assembly (MEA); methanol crossover; polarization; methanol oxidation; flooding; Nafion ® ; platinum (Pt); ruthenium (Ru) 1. Introduction Accelerated climate change and environmental degradation are being suffered globally due to the widespread use of fossil fuels [1]. Fuel cells fall under the category of potential reliable energy systems [2], as most of the renewable energy systems suffer due to their intermittent operational nature [3]. Amongst different types of fuel cells, polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) are arguably the fastestgrowing and most likely to be used in the near future because of their unique attributes such as high power density, low operating temperature (60–80 °C), quick startup, and dynamic response [4]. In particular, when compared to redox flow batteries [5] and Liion batteries [6], PEMFC is deemed to be a superior candidate considering numerous factors such as capital cost, electrical efficiency, dynamic response, and power density. Incidentally, the widely used fuel for PEM fuel cells is hydrogen, which poses challenges and concerns in terms of storage and safety that subsequently impede its widespread commercialization [7]. Therefore, significant endeavors have been committed to incorporate direct alcohol fuel cells (DAFC), considering its distinctive benefits such as simple operation, capability, high energy density, safe fuel handling and reasonably low environmental impact. Additionally, Citation: Jayakumar, A.; Madheswaran, D.K.; Kumar, N.M. A Critical Assessment on Functional Attributes and Degradation Mechanism of Membrane Electrode Assembly Components in Direct Methanol Fuel Cells. Sustainability 2021, 13, 13938. https://doi.org/ 10.3390/su132413938 Academic Editor: Nicu Bizon Received: 15 November 2021 Accepted: 15 December 2021 Published: 16 December 2021 Publisher’s Note: MDPI stays neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations. Copyright: © 2021 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland. This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
28

A Critical Assessment on Functional Attributes and ... - MDPI

Apr 10, 2023

Download

Documents

Khang Minh
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: A Critical Assessment on Functional Attributes and ... - MDPI

 

 

 

 Sustainability 2021, 13, 13938. https://doi.org/10.3390/su132413938  www.mdpi.com/journal/sustainability 

Review 

A Critical Assessment on Functional Attributes and   

Degradation Mechanism of Membrane Electrode Assembly 

Components in Direct Methanol Fuel Cells 

Arunkumar Jayakumar 1,*, Dinesh Kumar Madheswaran 1 and Nallapaneni Manoj Kumar 2,* 

1  Green Vehicle Technology Research Centre, Department of Automobile Engineering, SRM Institute of   

Science and Technology, Kattankulathur 603203, India; [email protected] 2  School of Energy and Environment, City University of Hong Kong, Kowloon, Hong Kong 

*  Correspondence: [email protected] (A.J.); [email protected] (N.M.K.) 

Abstract: Direct methanol fuel cells (DMFC) are typically a subset of polymer electrolyte membrane 

fuel cells (PEMFC) that possess benefits such as fuel flexibility, reduction in plant balance, and be‐

nign operation. Due to their benefits, DMFCs could play a substantial role in the future, specifically 

in replacing Li‐ion batteries for portable and military applications. However,  the critical concern 

with DMFCs is the degradation and inadequate reliability that affect the overall value chain and can 

potentially impede the commercialization of DMFCs. As a consequence, a reliability assessment can 

provide more  insight  into  a DMFC  component’s  attributes.  The membrane  electrode  assembly 

(MEA) is the integral component of the DMFC stack. A comprehensive understanding of its func‐

tional attributes and degradation mechanism plays a significant role in its commercialization. The 

methanol crossover through the membrane, carbon monoxide poisoning, high anode polarization 

by methanol oxidation, and operating parameters such as temperature, humidity, and others are 

significant contributions to MEA degradation. In addition, inadequate reliability of the MEA im‐

pacts the failure mechanism of DMFC, resulting in poor efficiency. Consequently, this paper pro‐

vides a comprehensive assessment of several factors leading to the MEA degradation mechanism 

in order to develop a holistic understanding. 

Keywords: direct methanol fuel cells (DMFCs); polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs); 

membrane electrode assembly (MEA); methanol crossover; polarization; methanol oxidation; flood‐

ing; Nafion®; platinum (Pt); ruthenium (Ru) 

 

1. Introduction 

Accelerated climate change and environmental degradation are being suffered glob‐

ally due to the widespread use of fossil fuels [1]. Fuel cells fall under the category of po‐

tential reliable energy systems [2], as most of the renewable energy systems suffer due to 

their  intermittent operational nature [3]. Amongst different types of fuel cells, polymer 

electrolyte membrane  fuel  cells  (PEMFCs)  are  arguably  the  fastest‐growing  and most 

likely to be used in the near future because of their unique attributes such as high power 

density, low operating temperature (60–80 °C), quick start‐up, and dynamic response [4]. 

In particular, when compared to redox flow batteries [5] and Li‐ion batteries [6], PEMFC 

is deemed to be a superior candidate considering numerous factors such as capital cost, 

electrical efficiency, dynamic response, and power density. Incidentally, the widely used 

fuel for PEM fuel cells is hydrogen, which poses challenges and concerns in terms of stor‐

age and safety that subsequently impede its widespread commercialization [7]. Therefore, 

significant  endeavors  have  been  committed  to  incorporate  direct  alcohol  fuel  cells 

(DAFC), considering its distinctive benefits such as simple operation, capability, high en‐

ergy density, safe fuel handling and reasonably low environmental impact. Additionally, 

Citation: Jayakumar, A.;   

Madheswaran, D.K.; Kumar, N.M. A 

Critical Assessment on Functional 

Attributes and Degradation   

Mechanism of Membrane Electrode 

Assembly Components in Direct 

Methanol Fuel Cells. Sustainability 

2021, 13, 13938. https://doi.org/ 

10.3390/su132413938 

Academic Editor: Nicu Bizon 

Received: 15 November 2021 

Accepted: 15 December 2021 

Published: 16 December 2021 

Publisher’s Note: MDPI  stays  neu‐

tral  with  regard  to  jurisdictional 

claims in published maps and institu‐

tional affiliations. 

 

Copyright: © 2021 by the authors. Li‐

censee  MDPI,  Basel,  Switzerland. 

This article  is an open access article 

distributed under the terms and con‐

ditions of the Creative Commons At‐

tribution (CC BY) license (http://crea‐

tivecommons.org/licenses/by/4.0/). 

Page 2: A Critical Assessment on Functional Attributes and ... - MDPI

Sustainability 2021, 13, 13938  2  of  28  

DAFC was established to tackle the storage crisis of hydrogen as well as to avoid the ne‐

cessity of a reformer for the conversion of alcohol to hydrogen [8].   

DAFC that uses methanol as a fuel  is normally referred  to as direct methanol fuel 

cells (DMFC). Methanol is the extensively utilized fuel for DAFC applications and on a 

volumetric basis,  it has 50% higher specific energy density  (6.09 kWh kg−1)  than  liquid 

hydrogen  (3.08 kWh kg−1), and  it  is simple alcohol, with only one carbon atom, which 

oxidizes more effectively than other liquid hydrocarbon fuels. In addition, the methanol 

infrastructure is well established and safer, unlike hydrogen. [9]. Low boiling point (65 

°C), high flammability, and ability to flow through the membrane from the anode to the 

cathode  side  (i.e.,  high  crossover)  are  the  limitations  of  using methanol  as  a  fuel  for 

DAFCs, because the chemical oxidation of methanol and the fuel crossover throughout 

DMFC operation culminates  in a reduced power output, which substantially limits the 

widespread usage of DMFCs. Additionally, the methanol feed  is diluted with CO2 and 

probably nitrogen, which may comprise CO traces that act as a catalyst poison [10]. CO 

could be removed from fuel feed using water gas shift and oxidation reactors; however, 

the removal adversely affects the system efficiency and leads to an increase in volume, 

weight, start‐up period, and response to variations in energy demand of the system [9,11]. 

Ethanol, on the other hand, can be used as an alternative fuel because of its advantages 

such as higher energy density than methanol, and its relatively low toxicity. Ethanol pos‐

sesses additional benefits such as lower cross‐over rates that have less detrimental impacts 

on DAFCs performance; however, ethanol has two carbon atoms (C‐C) bonded, and this 

bond is quite complex to break at the lower operating temperatures of DAFCs [12]. Eth‐

ylene glycol is an alternative alcohol fuel for DAFCs, which is less toxic, safer in terms of 

handling, and has high energy density and  lower volatility because of  its high boiling 

point (about 198 °C) compared to methanol. Moreover, ethylene glycol has a theoretical 

energy density of 4.8 Ah mL−1, which is 17% greater than that of methanol, i.e., 4 Ah mL−1, 

which is particularly noteworthy for portable electronic applications [13]. Although vari‐

ous  types  of  alcohol  are  employed  as  fuel  for DAFC,  the Direct Methanol  Fuel Cells 

(DMFC) exhibit higher performance and lower crossover compared to DEFCs. This is be‐

cause, when using ethanol as a fuel, there is a rapid decline in cell voltage at higher current 

densities, due  to  the rapid anode poisoning  [14]. Owing  to  the aforementioned unique 

advantages, it is evident why DMFCs are the most widely employed alcohol‐based fuel 

cells.   

From the structural configuration, the DMFC comprises an anode/cathode gas diffu‐

sion layer (GDL), anode/cathode catalyst layers (CL), and an electrolyte (i.e., a proton con‐

ducting membrane), and bipolar plates (BPPs) on either side. Frequently, these compo‐

nents are engineered separately and pressed all together as a single unit at high pressure 

and temperature. The CL and GDL integrated with the membrane, as a single unit is re‐

ferred to as membrane electrode assembly (MEA). This DMFCs’ configuration is similar 

to that of a PEMFC stack. Methanol with water is fed through the flow channels of BPPs 

on the anode side of the cell through the flow channel of the bipolar plates and oxygen is 

fed on the cathode side.   

The methanol and water react electrochemically and generate protons, electrons, and 

CO2 at the anode, due to the methanol oxidation at the CL, as given in Equation (1). The 

membrane (Nafion®) conducts protons to the cathode and impede the electrons since the 

membrane is ionically conductive. The membrane also aids in CO2 rejection, because in‐

soluble carbonates are produced in alkaline electrolytes. The electrons thus travel through 

an external circuit, producing electrical energy and recombining with protons on the cath‐

ode side with oxygen atoms and producing water, as given in Equation (2). The overall 

reactant flow and the ion transfer mechanism is depicted in Figure 1 and given in Equation 

(3) [15–18]. 

Page 3: A Critical Assessment on Functional Attributes and ... - MDPI

Sustainability 2021, 13, 13938  3  of  28  

 

Figure 1. Schematic of DAFC and the Ion transfer Mechanism. 

Anode reaction:  𝐶𝐻 𝑂𝐻 𝐻 𝑂 → 𝐶𝑂 6𝐻 6𝑒       𝐸° 0.046 𝑉  (1)

Cathode reaction:  𝑂 6𝐻 6𝑒 → 3𝐻 𝑂                                  𝐸° 1.23 𝑉  (2)

Overall reaction:  𝐶𝐻 𝑂𝐻 𝑂 𝐻 𝑂 → 𝐶𝑂 3𝐻 𝑂  𝐸 1.18 𝑉  (3)

The most broadly employed membrane  for DMFCs  is Nafion®, as  it demonstrates 

exceptional proton conductivity, as well as outstanding mechanical and chemical stability. 

However, Nafion® possess high fuel crossovers throughout the membrane and they are 

costly, have inadequate device lifespans, owing to the chemical and mechanical degrada‐

tion. Hence, the potential constraint of the DMFC system is that it deteriorates from des‐

titute anode kinetics, high catalyst  loadings,  low power density, and high cost  [19–21]. 

Thus, DMFC and DEFC belong to the same family with marginally different characteris‐

tics.   

In general, methanol should oxidize readily when the anode potential exceeds 0.046 

V in proportion to the reversible hydrogen electrode (RHE). Correspondingly, when the 

cathode potential falls under 1.23 V, oxygen should be decreased gradually. In practice, 

the sluggish electrode kinetics (kinetic losses) drive electrode reactions to vary from their 

ideal  thermodynamic values,  resulting  in a substantial  reduction of  the  theoretical cell 

efficiency [22]. For any fuel cells, the performance, a good grade of stability is a vital re‐

quirement and subsequently, the degradation mechanisms for DMFC components have a 

direct  influence on  the performance of DMFCs  [23].  In addition,  the operating circum‐

stances and the degradation processes are directly co‐related, given that the degradation 

of active‐type DMFC performance during cyclic voltage  loading  is significantly greater 

than under continuous voltage or current operation [24]. However, minimal consideration 

has been committed to studying the degradation mechanism of the membrane electrode 

assembly of DMFCs. The present paper provides prominence to the general MEA degra‐

dation mechanism of the DMFC system. Considering all these aspects, the paper is cate‐

gorized into the following sections: Section 2 elaborates on the functional attributes of the 

various DAFC stack components  including the membrane, CL, and the GDL. Section 3 

expounds on the degradation involved in the MEA. Section 4 exemplifies the degradation 

mechanism in the DMFC component arranged systematically. Section 5 summarizes the 

significance of the work along with the critical assessment and limitations.   

2. DMFC Functional Components 

The critical components of the DMFC are the membrane electrode assembly which 

encompasses  the membrane, CL and GDL. To be empathetic on  the root causes  in  the 

Page 4: A Critical Assessment on Functional Attributes and ... - MDPI

Sustainability 2021, 13, 13938  4  of  28  

MEA degradation involves the understanding of its functional attributes which are elab‐

orated in the subsequent section. 

2.1. Membrane 

The membrane acts as a separating layer between the anode and cathode layer, which 

conducts protons and impedes the flow of electron. The membrane ought to have high 

proton conductivity, high chemical stability, and must be minimally permeable to meth‐

anol and water while possessing high durability at a reasonable cost [25,26]. The mem‐

branes for DMFC are normally based on fluorinated polymer and sulfonic acid groups 

similar to the PEMFC systems [27]. Nafion® is the widely used membrane, which is a per‐

fluorinated polymer, primarily  composed of a polytetrafluoroethylene  (PTFE)  support 

and lengthy perfluoro vinyl ether pendant side chains that are wrapped up by sulfonic 

functional groups. The polytetrafluoroethylene (PTFE) support offers chemical and ther‐

mal conductivity, while the sulfonated group ensures proton conductivity. The membrane 

is normally 175 microns in thickness, and the electrodes are typically 2 mm in thickness 

[28]. Many commercially available membranes are below 175 microns  in thickness, but 

they are not reported to be efficient in proton conduction in the DMFC [29]. The chemical 

structure of a Nafion® perfluorinated ionomer is given in Figure 2 [30].   

 

Figure 2. Typical structure of Nafion® perfluorinated ionomer [30]. 

The X in the structure of Nafion® predominantly refers to the sulfonic ionic functional 

groups and the M refers to the metal cation in neutral form of a proton (H+) in the acidic 

form. Typically, a perfluoro  sulfonyl  fluoride  copolymer‐based Nafion®  from DuPont, 

Delaware, USA is observed as the best‐fit membrane for DMFCs, due to its high proton 

conductivity,  exceptional mechanical properties,  excellent  chemical  stability,  and  easy 

availability. However, it has shortcomings such as high manufacture expense, and at low 

humidity or high temperatures, these membranes are less proton conductive, have  low 

mechanical property, high alcohol permeability, and are  limited  to operating  tempera‐

tures [31]. As a result, such Nafion® membranes are susceptible to rapid dehydration at 

high temperatures, resulting in loss of proton conductivity, and in certain circumstances, 

causes irreversible changes in the microstructure of the membrane [32]. As a consequence, 

the key difficulties  in contemporary DMFC research are  to produce an alternate mem‐

brane capable of operating at higher temperatures or with low humidification of reactants. 

Choices of Nafion®, on the other hand, are frequently cheaper, i.e., sulfonated polyether 

ether ketone (sPEEK) membranes [33] and sulfonated poly aryl ethers (SPAEs) [34]. Few 

commercially available membranes for DMFCs are Aciplex (Asahi Kasei Chemicals, To‐

kyo, Japan) [35], Flemion (Asahi Glass, Chiba, Japan) [36], Gore‐select (W. L. Gore & asso‐

ciates, Delaware, USA) [37] and the perfluoro sulfonic acid (PFSA) based Fumapen F‐1850 

and E‐730, (Fumatech Bietigheim‐Bissingen, Germany), [38] though Nafion from Dupont 

is the most prevalent.   

Page 5: A Critical Assessment on Functional Attributes and ... - MDPI

Sustainability 2021, 13, 13938  5  of  28  

2.2. Gas Diffusion Electrode (GDE) 

The GDL and the electrode (catalyst) as a single unit is referred to as gas diffusion electrode (GDE) [39]. The GDE for DMFC is typically made of a porous mixture of carbon‐

backed platinum (Pt) or Ruthenium (Ru) [40]. Pt is predominantly used as the electrocat‐

alyst for DMFC. However, with methanol as a fuel, there could be “CO poisoning.” There‐

fore, Ru is added to promote the electrocatalyst activity by adsorption of OH and strip‐

ping off adsorbed CO from nearby Pt sites. Thus, at the anode, the catalyst, namely, Pt/Ru, 

in appropriate proportion initiates the methanol electro‐oxidation to generate protons and 

electrons [41]. For an effective electrochemical reaction, the catalyst particles should be in 

close proximity with the protonic and electronic conductors. Additionally, there should 

be sections for reactants (i.e., porosity) to reach the catalyst zone and for reaction products 

to leave the cell [42]. The contact point of reactants, catalyst, and the electrolyte is usually 

indicated as the three‐phase interface [43]. To accomplish an adequate rate of reaction, the 

area of catalyst zones must be several times greater than the geometrical area of the cata‐

lyst. Consequently, the catalysts are made porous to form a three‐dimensional network, 

where the three‐phase interfaces are established [44]. The catalysts are typically 0.45 mm 

thick (before hot‐pressing), with a catalyst loading that lies within the range of 0.2 to 0.5 

mg/cm2. The catalyst loading is one of the cost‐hindering aspects of the DMFC, compared 

to other MEA components, given that Pt‐Ru/C anode catalyst constitutes 36% and Pt/C 

cathode catalyst constitute 21% of the overall cost of a single DMFC stack in mass produc‐

tion (10,000 units per year), while the membrane and GDL const 12% and 8%, respectively 

[45]. The DMFC stack cost could not be downsized unless the amount of Pt is reduced by 

any cost‐effective element combined with  it, or by entirely  replacing Pt with any non‐

noble elements. Alternative catalysts can be investigated in addition to lessening the CO 

contamination, thereby reducing the overall cost of the DMFC [46]. Though in certain cir‐

cumstances, the catalysts are coated onto  the membrane, as  in the present context,  it  is 

taken into the account the CL and GDL as the gas diffusion electrode. The precious cata‐

lyst  is  typically Pt, which  has  the  highest  activity  towards  oxygen  reduction  reaction 

(ORR) compared to all catalysts grounded on the Sabatier principle. This systematic con‐

figuration is termed as volcano plot and is illustrated in Figure 3 [47].   

 

Figure 3. Volcano plots showing the catalytic activity trends as a function of the binding energy [47]. 

The GDL in general comprises a macroporous backing layer, usually made of porous, 

conductive carbon cloth or carbon cloth, and a microporous layer (MPL) [48]. Good diffu‐

sion characteristics (facilitating reactants to come in contact with the catalyst site); good 

electrical conductivity; stability  in the DMFC environment; high permeability/pore size 

distribution for liquids and gases; good elasticity under compression; contact angle of the 

pores are the favorable features of GDE [49]. The most widely available carbon cloth‐based 

GDL are ELAT  [50], Avcarb  [51] and CeTech  [52], where carbon paper‐based GDL are 

Page 6: A Critical Assessment on Functional Attributes and ... - MDPI

Sustainability 2021, 13, 13938  6  of  28  

Avcarb [53], Toray [54], Freudenberg [55], Sigracet [56] and Spectracarb [57]. Carbon cloth 

has an ordered arrangement of fibers, larger pores, high porosity, and permeability, re‐

sulting in reduced mass transportation resistance and accelerating effective CO2 removal 

[58]. Carbon paper, on the other hand, has a packed high denser structure and could be 

utilized to improve back diffusion of water by retaining a hydraulic pressure at the cath‐

ode [59]. A study on structural multiplicity and acclimatization dependence of DMFC re‐

ported that, using carbon cloth as the anode GDL and carbon paper as cathode GDL for a 

DMFC outperformed all other configurations [60]. Metal foams, metal meshes, and sin‐

tered metals are used as alternative GDLs  in DMFCs  [61,62]. Studies reported  that  the 

metal foam‐enhanced passive DMFC performed better in terms of oxygen transportation 

and consequently cell performance [63].   

3. MEA Degradation and Mitigation Strategies in DMFC 

The MEA has often been termed the heart of DMFC. An insight into the degradation 

mechanism of the MEA can apparently increase the reliability of the DMFC stack. As a 

consequence, an assessment of the degradation in the membrane and gas diffusion elec‐

trode of a DMFC stack is mandatory. A comprehensive and systematic review is a prom‐

ising way of representing such degradation, as those events can be classified as the pri‐

mary,  secondary, and  tertiary  consequences which  cause  the degradation of  the  stack 

components. This article logically assesses the combinations of the undesired events that 

can potentially lead to the undesired state based on numerous research articles reported. 

The primary consequences are  those unsought or most  intricate causes,  the  secondary 

consequence is the intermediate cause, and the tertiary consequences are at the bottom. In 

the present work, an assessment is performed on those degradation mechanisms that can 

lead to the failure of MEA components of DMFC. Nevertheless, similar assessments have 

been  already  performed  by  several  researchers  that  largely  focus  on  hydrogen‐based 

PEMFCs [64–67]. Though the degradation of DMFC is similar to hydrogen‐based PEM‐

FCs, there are significant alterations that have to be assessed. The following sections elab‐

orate on the degradation mechanism in the MEA components of DMFC. 

3.1. Electrolyte Membrane 

The primary constituent of the membrane degradation is the methanol crossover, fol‐

lowed by various other constituents such as CO poisoning, membrane thickness, metha‐

nol concentration, and its impurities, membrane assembly defects, reaction parameters, 

thermal and mechanical stability, and radical (OH*/HOO*/ROO*).   

3.1.1. Methanol Crossover 

In a liquid‐fed DMFC, methanol in excess is provided to the anode of the MEA. It is 

desired to have all or for most of the methanol diffuse into the anode for the reaction. A 

phenomenon follows called “methanol crossover (MCO)” where a certain amount of the 

methanol diffuses over the membrane from the anode to the cathode [68]. The MCO in 

general is defined using Fick’s law for diffusion across a polymer membrane as given in 

Equation (4) [69] and its schematic representation is given in Figure 4 [70]. 

𝐽 𝐷𝑑𝐶𝑑𝑍  (4)

where J is the methanol flux, D is the coefficient of diffusion, C is the methanol concentra‐

tion and Z is the location within the membrane.   

Page 7: A Critical Assessment on Functional Attributes and ... - MDPI

Sustainability 2021, 13, 13938  7  of  28  

 

Figure 4. Schematic representation of methanol crossover in DMFC [70]. 

The Inherent water diffusion characteristic of the membrane and methanol solubility 

in water triggers MCO [71]. Consequently, merely a few elements of methanol oxidize at 

the anode layer, where the rest of the elements are diffused through the membrane result‐

ing in MCO [72]. This transportation is primarily by the diffusion and electro‐osmotic drag 

(EOD) mechanism  [73]. The mass  transportation diffusion mechanism  is  fundamental 

during MCO, and  it  is proportional  to methanol  feed concentration. EOD  is generated 

when proton transfer drags several methanol molecules. The EOD contribution is propor‐

tional in MCO., i.e., it increases with increase in amount of methanol fraction at the mem‐

brane‐electrode (anode) interface and the current generated by the cell [71].   

The MCO occurs mostly owing to the nature of the Nafion membrane, as Nafion is 

made up of hydrophilic  side  chains  that  comprise  ionic  sulfonic acid  (–SO3H) groups, 

which clustered in conjunction to produce ionic channels. While the water flow through 

ionic channels aids in the transport of protons, allowing for superior proton conductivity, 

it allows for the passage of methanol across the membrane. This aliphatic polymer struc‐

ture of Nafion facilitates the development of larger ionic channels, resulting in enhanced 

methanol permeability [72].   

Studies reported that the MCO mostly relies on the operating temperature [74–76] 

and the method of delivering the fuel [77]. It is given that the rate of fuel/oxidant deliv‐

ered, and their concentration will substantially impact MCO [78]. The linear dependency 

of current density on temperature and methanol concentration was reported in numerous 

studies [79–83]. Figure 5 [84] represents cell current density versus methanol crossover 

current density as a  function of  temperature and methanol concentration, respectively. 

While the precise co‐relation between permeability and MCO is complicated, certain var‐

iables such as the thickness of membrane [85] and methanol feed concentration [86] im‐

pact crossover  in definite directions,  i.e.,  for greater methanol concentration or  thinner 

membrane, the crossover rates are higher [87]. In addition to permeability, the co‐efficient 

of diffusion and solubility properties are often reported  [88].  It  is essential  to measure 

these concepts and connect them to the MCO fluxes of operational DMFCs at this phase. 

This MCO leads to lower theoretical open‐circuit voltage (OCV) of ~0.7 to 0.8 V vs. ~1.2 V 

and low power density of DMFC [89]. MCO produces a mixed potential at the cathode, 

and consequently decreases the methanol consumption in the anode, thereby decreasing 

the voltage of the DMFC around 400 mV [90].   

The most amount of the MCO to the cathode will be electrochemically oxidized. This 

leads to the decrease in the performance of the cell and is subjected to the consumption of 

the cathode reactants [91]. In prevailing liquid feed DMFC, dilute methanol (6.41% to 9.61 

vol% CH3OH or 2 to 3 mol) is provided to the anode side of MEA. In such instances, the 

methanol diffuses to the anode and reacts incompletely. 

Page 8: A Critical Assessment on Functional Attributes and ... - MDPI

Sustainability 2021, 13, 13938  8  of  28  

 

 

Figure 5. Cell current density versus methanol crossover current density as a function of tempera‐

ture a methanol concentration [84]. 

The residual methanol leaves the CL and thus diffuses through the membrane to the 

cathode. The deficit of fuel decreases efficiency, which consequently reduces the cathode 

performance. The methanol loss at the anode side initiates the concentration at the surface 

of the catalyst to deterioration in the vicinity of the membrane accelerates the mass trans‐

portation resistance [92,93].   

The hydrophilic properties of Nafion are enhanced by the concentration of hydro‐

philic domains and as a  result, DMFCs elements are easily  transported over perfluoro 

sulfonic  acid membranes  (mostly water  and methanol).  This  consequently  influences 

MCO from the anode to the cathode, which is primarily accomplished by the diffusion via 

the water‐filled channels inside the Nafion structure and active transportation with pro‐

tons and associated water solvent molecules during EOD [94]. A rigid polymer matrix [95] 

and a small free‐volume membrane [96] could potentially bring down the electro‐osmosis 

methanol diffusion. At the cathode, the MCO is oxidized to CO2 and H2O, lowering fuel 

efficiency and leading to cathode depolarization [97]. It is postulated that MCO reduces 

the efficiency of DMFC by 35%. Although the loss of oxygen from the cathode to the anode 

has an adverse effect on the efficiency of DMFC, it may be overlooked in contrast to the 

impact of the MCO. On contrary, mass transfer of N and CO through the membrane has 

no substantial effect on DMFC performance [95]. 

It is evident from studies that the MCO is a significant factor that leads to the degra‐

dation of the membrane component. From the findings of various experiments reported, 

higher methanol concentration and substantial membrane thinning was detected, because 

Page 9: A Critical Assessment on Functional Attributes and ... - MDPI

Sustainability 2021, 13, 13938  9  of  28  

the Nafion is soluble in methanol. This results in increased MCO and intense mixed po‐

tential formation on the cathode. Thus, the incompetence of the membrane to function as 

an efficient alcohol barrier decreases the performance of the cell as a result of mixed po‐

tential  at  the  cathode  [98–101]. Figure  6  [102]  illustrates  a graph  comparing methanol 

crossover rates at OCV condition and in the presence of 1 and 5 M methanol concentration 

for some of the tested membranes including the commercial Nafion® 115. This measure‐

ment was performed by employing an online gas chromatograph to analyze the CO2 at 

the cathode. In the sequences E‐730, F‐1850, and Nafion®‐115, the crossover increased.   

 

Figure  6. Methanol  crossover  rate of different membranes under different operating  conditions 

(temperature and methanol concentration) [102]. 

Numerous  studies  have  examined DMFC  performance  utilizing  anion  exchange 

membranes (AEMs) rather than the more typical proton‐based Nafion membrane, with 

the vast majority  reporting higher Ohmic  resistance and  lower MCO  [103–105]. While 

AEM‐DMFCs have a greater OCV and marginally  improved  initial performance  com‐

pared to Nafion‐based DMFCs, the resilience of such membranes often degrades in con‐

trast to Nafion‐based membranes, culminating in quick performance degradation [106–

108]. The quaternized polyaromatics‐based AEM polymers such as quaternized polyether 

ketone and quaternized polysulfone have  recently  received considerable attention, be‐

cause of their outstanding conductivity properties, good mechanical and chemical stabil‐

ity [109,110]. However, synthesis of quaternized polyaromatics embraces hazardous com‐

pounds such as chloromethylation of benzene rings, which are highly carcinogenic and 

cytotoxic. Furthermore,  the cost  for  tailoring polymers of quaternized polyaromatics  is 

relatively expensive, which stands as  the primary  impediment to widespread commer‐

cialization [111,112]. Table 1 [113] provides the snapshot of electrochemical characteristics 

of different membranes used for DMFC. 

Table 1. Electrochemical characteristics of different membranes used for DMFC [113]. 

Membrane Acronym  E‐730  F‐1850  Nafion 115 Type of polymer  SPEEK  PFSA  PFSA 

Equivalent weight (g mol−1)  700  1800  1100 

Membrane thickness (μm)  30  120  125 

Crossover current (mA cm−2)  48  100  195 

Maximum power density @ 

90 °C (mW cm−2) 77  38  64 

Various studies have been conducted to control MCO [114,115]. The methanol con‐

centration gradient through the Nafion membrane has high impacts over MCO; however, 

this approach is said to increase flooding and result in lower energy density [116]. Given 

Page 10: A Critical Assessment on Functional Attributes and ... - MDPI

Sustainability 2021, 13, 13938  10  of  28  

that,  the methanol  tolerant catalysts cannot directly control  the MCO rate,  though  it  is 

capable of reducing the detrimental consequences of it [117–119].   

3.1.2. Stack Assembly Effects 

At high operating temperatures, the membrane degradation rate accelerates owing 

to the development of pinholes in the membrane in conjunction with cathode degradation 

and delamination [120]. If any flaw or pinhole appears on the membrane, the reactants 

blend under the catalytic effect that forms reaction intermediates such as CO, resulting in 

the hot‐spot  formation and,  in  turn,  the pinhole dimensions or structural deformation 

[121]. In extreme circumstances, this could contribute to the explosion of cells, or struc‐

tural  flaws are caused by  the  following reasons:  (i) When  the membrane  is stabbed by 

fibers or particles in the MEA during manufacturing and processor during stack assembly 

[122]; (ii) When the membrane is stabbed or lacerated by MEA or bipolar plate edges un‐

der stress produced by the stack bolts [123]; (iii) During long‐term operation of the stack, 

peroxide corrosion makes the membrane thinner, and which leads to pinhole formation, 

that are more likely to be appeared in membrane drying cases [124]. Despite the above‐

mentioned reasons, membrane pinhole development can occur under extremely transient 

circumstances with a high number of humidity cycles. Because of the substantial volumet‐

ric expansion of ionomeric membranes under high humidity and in the presence of liquid 

water, variations in RH cause high mechanical stresses in the membrane, which contribute 

to membrane pinholes through in the lack of chemical degradation [122]. However, the 

pinhole formation triggered by short‐term mechanical damage or steady long‐term corro‐

sion is not known as their effects on performance are not apparent; hence, it is imperative 

to develop approaches  for perceiving membrane pinholes  formation  to circumvent  the 

potential hazard of explosion or constant performance reduction, and subsequently the 

reduction in lifespan.   

Studies have  shown  that  stresses developed within  the  system  could damage  the 

membrane. These developed stresses are said to have various origins. The first is the initial 

stresses that arises within the MEA during stack assembly  [125]. Numerous studies on 

optimizing the assembly procedure (such as bolt assembly), especially for the homogeni‐

zation of the arising mechanical stresses have been reported  [126]. A study on the me‐

chanical response of membrane subjected  to various clamping conditions observed  the 

formation of pinhole at the center of the membrane which is due to the extreme form of 

non‐uniformity in this constraint configuration [127]. One study observed that clamping 

stress is conducive to the durability and integrity of the membrane that, however, depends 

on the design specifications [128]. Evaluating various stack compression methods by con‐

sidering the vibration effects in the clamping systems of the stack can offer better percep‐

tions of optimal stack assembly procedure. Supplementary efforts are yet to be established 

to deliver models that combine the physical and electrochemical process concerning as‐

sembling and structural  issues viz. stress, displacement (deformation), damage (cracks, 

delamination). 

3.1.3. Thermal/Mechanical Stability 

In general, Nafion membrane is volatile on operating the stack at temperatures range 

of above 100 °C. Better cell performance of the cell for Nafion‐based membranes is achiev‐

able with the operating temperature range of 25 °C to 90 °C. Over 90 °C, the current den‐

sity is limited as temperature increased, because of the membrane degradation [129]. In 

recent times, significant attention has been paid to Polybenzimidazole (PBI)‐based mem‐

branes because of their high thermal stability, which is attributed to their tolerance when 

operating at higher temperatures (i.e., >100 °C) than Nafion membranes. To achieve max‐

imum power output, it is desirable to increase the operating temperature; PBI membranes 

are able to endure while operating at temperatures in excess of 100 °C with a vaporized 

feed [130].   

Page 11: A Critical Assessment on Functional Attributes and ... - MDPI

Sustainability 2021, 13, 13938  11  of  28  

3.1.4. Methanol Concentration and Impurities 

The other factors leading to the damage of the membranes are the impurities present 

in the methanol. DMFCs utilizing various types of commercial methanol con numerous 

compositions of impurities. The water content in the humidified methane encompasses 

cationic impurities namely Na+, Cl− and Mg2+, that possibly contaminates the membrane 

surface [131]. The proton loss is more acute with low‐valent cations, which is due to the 

decreased affinity of the sulfonic acid groups present in the Nafion membrane [132]. It 

was reported that that the MEA substantially degraded with an increase in the corrosion 

of austenitic stainless steel by the supply of various metal solution concentrations into the 

fuel stream of DMFC [133]. In addition to impurities with the methanol, the concentration 

of  the  fuel adversely affects  the MEA performances. Optimum methanol concentration 

fall in the range of 1–2 M, which entails water dilution and subsequently far lower energy 

density. The higher alcohol concentration worsens the influence of permeated fuel on the 

performance of the membrane due to the MCO effect [134]. A study stated that the mem‐

brane becomes highly porous and  the degree of membrane swelling is  increased when 

there is an increase in alcohol concentration [135]. In general, the pure polar solvent has a 

greater membrane absorption  than  the pure non‐polar solvent. When water  is blended 

with a solvent, fortunately, the degree of swelling is negatively proportionate to the po‐

larity of the solvent [136].   

3.1.5. Membrane Thickness 

Membrane thickness in a DMFC influences water crossover as well as water manage‐

ment, which thereby causes membrane degradation. A study reported that when the pas‐

sive DMFC  is worked with  low methanol concentration and with a  thicker membrane 

shows better performance at low current densities than at high current densities [137]. The 

thinnest sPEEK membrane was proven  to have good DMFC performance,  though also 

showing low Faradays efficiency (i.e., high methanol permeation with low Ohmic losses). 

On the other hand, the thickest membrane showed superior qualities concerning metha‐

nol permeation [138].   

3.1.6. Reactive Oxygen Species 

The  formation of  reactive oxygen species, such as  the hydroxyl radical  (OH), and 

hydroperoxyl/peroxyl radicals (HOO/ROO) can also cause the degradation of the mem‐

brane. Given that, the Nafion membranes are prone to the high absorption of reactive ox‐

ygen species, which leads to a high swelling ratio rate of membranes and fail to properly 

hold the contact between membrane and catalyst [139]. In the case of the PFSA membrane, 

the formation of reactive oxygen species also opens up the path for methanol permeabil‐

ity, which leads to high MCO [140].   

3.1.7. Mitigation Strategies for Membrane Degradation 

The contemporary reliance on Nafion membrane use for DMFC is significant due to 

its high conductivity and mechanical and chemical stability. The degradation of Nafion 

membranes, on the other hand, represents a considerable drawback. Hence, exploring an 

alternate membrane or  increasing  the performance of  the Nafion  is critical. Numerous 

literature has been reported to address the membrane degradation issue. Concerning the 

methanol crossover  reduction,  it can be accomplished by utilizing cross‐linking proce‐

dures or adding up nanosized inorganic fillers within the membrane to improve the tor‐

tuosity path, as well as by fine‐tuning the ion exchange capacity (IEC) [141]. The alterna‐

tive approach contemplates the change of the chemical characteristics of the polymer net‐

work adjoining the ionic groups to modify the degree of dissociation and the degree of 

interpenetrated networks [142,143]. These approaches can reduce the  level of methanol 

permeation permeability while keeping the proton conductivity at suitable levels; how‐

ever,  apparently, the  cathode  is  less  polarized  in  the  presence  of  lower  methanol 

Page 12: A Critical Assessment on Functional Attributes and ... - MDPI

Sustainability 2021, 13, 13938  12  of  28  

permeation [144]. This corresponds to lower overpotentials for the oxygen reduction re‐

action. This strategy is further assisted by using methanol‐tolerant cathode electro‐cata‐

lysts with high activity  for oxygen  reduction  [145]. FuMA‐Tech created a new class of 

fluorinated membranes for use in DMFCs [146], which exhibited ion exchange capacities 

of 0.4 and 0.5 meq g−1, that is nominally equated to equivalent weights of 1800 and 2300 g 

mol−1, respectively. These results differed greatly from those of conventional PFSA mem‐

branes, such as Nafion® 115, with an equivalent weight of 1100 g mol−1 and an IEC of 0.91 

meq g−1. These blend membranes were designed to restrict methanol crossing, while the 

cast membrane thickness of 30–50 m enabled minimizing the membrane area resistance 

and cost of material as contrasted to Nafion® 115, which has a thickness of 125 m.   

A relationship (reciprocal of the product of the area‐specific resistance and the cross‐

over) between DMFC power density and membrane  selectivity  is  reported  in  a  study 

[102]. This equation could be used to estimate DMFC performance based on fundamental 

membrane parameters in the presence of identical catalyst‐loading, mechanical, and in‐

terfacial features. As explained above, selectivity is connected to intrinsic membrane fea‐

tures. Consequently, determining membrane selectivity does not always necessitate test‐

ing in DMFCs. Conductivity, thickness, and methanol permeation properties may all be 

used to calculate selectivity. If the electrode parameters are known, membrane selectivity 

can provide an  indicator of DMFC performance at  low  temperatures, according  to our 

research.   

Using reinforced composite membrane is another strategy to improve membrane du‐

rability  in DMFCs. The membrane with silane grafted on graphene oxide‐treated mor‐

denite with graphene oxide shows improved durability than conventional Nafion [147]. 

A  thin Nafion membrane comprised of highly surface‐functionalized sulfonated silica‐

coated polyvinylidene fluoride (S‐SiO2@PVDF) nanofiber mat and methanol‐resistant chi‐

tosan. The proposed membrane  showed  three  times greater wet  tensile  strength  (25.2 

MPa) and 1.6 times greater elongation (83.5%) than those of the pure Nafion membrane. 

More vitally, the improved ionic conductivity, reduced methanol permeability, and ex‐

tremely limited swelling were attained for the composite membrane. These results show 

that the production of such a mechanically robust membrane with improved proton con‐

ductivity, and methanol resistance is a great structural design system. Likewise, in theory, 

decreasing the molecular weight or increasing the content of silane coupling agent coating 

could help enhance the conductivity of nanofibers. Similar studies were reported using 

quaternized  chitosan  reinforced with  surface‐functionalized  PVDF  electrospun  nano‐

fibers [148], Polyvinyl alcohol (PVA) reinforced composite membranes [149], poly(styrene 

sulfonic acid)‐grafted poly(vinylidene  fluoride)  reinforced  composites  [150], Graphene 

quantum  dot  reinforced  hyperbranched  polyamide membrane  [151],  to  improve  the 

DMFC membrane durability.   

3.2. Electrocatalyst Degradation 

The DMFC widespread hindrance is highly influenced by the degradation of the cat‐

alyst layer which is accelerated by the following reasons: Catalyst poisoning; Pt/Ru ag‐

glomeration; Pt/Ru delamination; Pt/Ru dissolution; Ru leaching from Pt/Ru surface; Sur‐

face oxide formation and the membrane dissolution.   

3.2.1. Catalytic Poisoning 

CO poisoning, the most severe catalyst deactivation proc, is a critical concern, partic‐

ularly in direct methanol fuel cells (DMFCs). Figure 7 [152] schematically illustrates the 

CO formation on the surface of the Pt catalyst.   

Page 13: A Critical Assessment on Functional Attributes and ... - MDPI

Sustainability 2021, 13, 13938  13  of  28  

 

Figure 7. CO formation on the surface of Pt catalyst [152]. 

The  intermediates of methanol electro‐oxidation impede alcohol oxidation and ab‐

sorb CO molecules on the electrocatalyst surface which then leads to poisoning the elec‐

trocatalyst and hinders the electro‐oxidation kinetics [153]. This consequence lead to the 

use of alloys. Ruthenium as a potentially promising circumvent the CO poisoning [154]. 

In addition, transition metal carbides have benefits in terms of poison resistance; for in‐

stance, tungsten carbide (WC) has unique character traits such as high electrical conduc‐

tivity, acid resistance, relatively low cost, and resistance to CO poisoning during methanol 

electro‐oxidation [155]. 

3.2.2. Pt/Ru Agglomeration 

The overall growth  in particle size during methanol oxidation  is described by ag‐

glomeration. The mechanism varies on the particles’ distance and support characteristics. 

Given  that  the specific particles are  in the nearby vicinity or  linked  to each other,  thus 

producing  the  larger  sized group,  the  catalyst material diffused and  increase  together 

throughout potential cycling. This further formed as a layer with the membrane and MPL 

on either side and degrades on constant operation [156]. The mechanism of Pt agglomer‐

ation at the cathode side of DMFC is given in Figure 8 [157]. Constant advancements in 

catalyst  ink development have been attained such as decreasing the Pt/Ru  loading and 

substituting Pt‐black with Pt‐supported carbon black [144]. The carbon support typically 

comprises several carbon black particles, namely, Vulcan (20 μm) or Ketjen black (50 μm). 

When the particles turn out to be coupled together by fusion bonding in the ink solution, 

then the aggregates produce agglomerates by attractive van der Waals forces [158].   

Page 14: A Critical Assessment on Functional Attributes and ... - MDPI

Sustainability 2021, 13, 13938  14  of  28  

 

Figure 8. Pt agglomeration at cathode catalyst of DMFC [157]. 

In a study, aggregates of various forms were modelled as particle clusters and dis‐

tributed randomly in space to develop an agglomerate composition of the catalyst layer. 

It was observed that when aggregates overlapped, a new spot of agglomeration was ran‐

domly formed [159]. 

3.2.3. Pt/Ru Dissolution 

Conventional Pt‐Ru‐based electrocatalysts are reported to comprehend a substantial 

quantity of unalloyed Ru in the form of intermetallic phases or segregated oxides, which 

are responsible for the dissolution of Ru under collapsed pseudocapacitive currents [160]. 

Pt or Ru dissolution from the Pt–Ru anode catalyst by potentials greater than 0.5 V vs. 

DHE, observed by migration and accumulation to the cathode can decrease the activity of 

both anode and cathode catalysts and a deterioration of cell performance [161]. Figure 9 

[162] illustrates the Pt dissolution mechanism in a typical DMFC. In a study, it is reported 

that  if  the Pt/Ru atomic  ratio  is unchanged or decreased,  it also can  lead  to Ru  losses, 

relying on the comparative amount of Pt and Ru lost. The standard Pt/Ru atomic ratio of 

the Pt‐Ru catalyst is 1:1, hence, a drop in Ru concentration in the catalyst leads to a decline 

in MOR. Nevertheless, based on the degree of alloying, the Pt–Ru catalyst’s MOR activity 

would increase after Ru loss [163].   

 

Figure 9. Dissolution of Pt from the surface of carbon‐supported catalyst [162]. 

Page 15: A Critical Assessment on Functional Attributes and ... - MDPI

Sustainability 2021, 13, 13938  15  of  28  

3.2.4. Pt/Ru Delamination 

Due to the low binding energy between the catalyst‐coated membrane and the CLs, 

delamination of CLs often occurs  throughout  repetitive operations. The bonding  force 

supplied by the direct pressing approach of CCM cannot withstand the swelling of the 

membrane during the operation of the DMFC, resulting in delamination [164]. A study 

reported that the isotropic membrane swelling (i.e., expansion coefficient difference be‐

tween the CL and membrane) enhances the variance  in swelling ratio with catalyst en‐

compasses a Nafion binder, which would most likely increase electrode layer delamina‐

tion [165].   

3.2.5. Ru Leaching from Pt/Ru Catalyst 

In the absence of Ru near the Pt catalyst, the firmly bonded CO molecule generated 

following reactant transfer will degrade the Pt surface. As a result, it is critical to avoid 

certain  operating  circumstances  that  lead  to  Ru  leaching  [166]. Additionally,  the  Ru 

leached from the anode will be deposited on the Nafion membrane, causing membrane 

fouling. Finally,  the anode’s  leached Ru can be deposited at  the cathode,  lowering  the 

cathode catalyst’s total oxygen reduction activity. Though the existence of Ru is crucial 

for MOR, when  the anode potential achieves 0.5 V vs. RHE,  the Ru  (in oxidized  form) 

particles would be receptive  to  leaching  [167]. By quantifying  the amount of Ru oxide 

from various sections of the DMFC, we can ascertain that the potential distribution in the 

cell  is not uniform  even  in  a  single  cell  arrangement under  typical operating  circum‐

stances. Because of the comparatively large anodic potentials, this condition may also re‐

sult in preferential Ru leaching from the methanol inflow area [168]. 

3.2.6. Surface Oxidation Formation and Practical Growth 

The high binding energies of both CO and oxygen‐containing species such as surface 

oxides or adsorbed OH groups  induce  the quite often substantiated poisoning of pure 

platinum utilized as an anodic catalyst [169]. Intermediate species may also poison the 

catalyst and deteriorate  the  fuel cell performance. For  instance, methanol will partially 

oxidize to form intermediate species such as formic acid, methyl formate, and formalde‐

hyde [170]. Pt surface oxidation at the cathode is investigated in numerous studies using 

the oxide reduction peak of cyclic‐voltammetry measurements, and it is determined that 

the electrocatalytic activity for oxygen reduction decreases, which contributes to degrada‐

tion in the catalyst layer [171]. The substantial, oxidized Ru percentage in the anode cata‐

lyst was demonstrated to exert a major influence in the development of particles at the 

anode side and was found to be disseminated throughout the cathode in its oxidized form 

and, therefore, can have a considerable  impact on the oxygen reduction activity  (ORR) 

[172]. 

3.2.7. Carbon Corrosion 

Carbon black (specifically Vulcan XC‐72) is the most frequently used backing layer 

for DMFCs. These are typically made using pyrolyzing hydrocarbons. The high surface 

area (∼250 m2 g−1 for Vulcan XC‐72), low cost, and effortless accessibility of carbon black 

help decrease the total cost of the cell [173]. While widely used as a catalyst–support, CBs 

still endure complications such as (i) the presence of organo‐sulfur impurities [174] and 

(ii) deep micropores or recesses which deceits the catalyst nanoparticles making them in‐

accessible to reactants consequently leading to reduced catalytic activity. Under the acidic 

environment of a conventional DMFC, thermochemical stability is essential, and its defi‐

ciency results in corrosion of the carbon support and dissolution of the catalyst layer [175]. 

Carbon black, on the other hand, is mostly made up of planar graphite carbon and amor‐

phous carbon, both of which have a lot of dangling bonds and flaws. The dangling bonds 

quickly generate surface oxides, leading to a faster corrosion rate during electrochemical 

Page 16: A Critical Assessment on Functional Attributes and ... - MDPI

Sustainability 2021, 13, 13938  16  of  28  

oxidation [176]. A study reported that agglomeration of catalysts which is triggered by 

reactant starvation is correlated to carbon support corrosion [177].   

3.2.8. Mitigation Strategies for Catalyst Degradation 

Among various degradation mechanisms, the Pt/Ru agglomeration and dissolution 

were  found  to be  the most  significant  contributors  to  catalyst degradation  in DMFCs. 

Therefore, considerable attention has been paid to reducing the catalysts agglomeration 

and dissolution. Pt/Ru supported on TiO2 embedded carbon nanofibers (Pt‐Ru/TECNF), 

was reported as a highly active catalyst for methanol oxidation, which demonstrated re‐

duced  agglomeration  compared  to  the  conventional Pt  catalysts  supported on  carbon 

[178,179]. A study reported that using ethanol solvent as catalyst ink for anode catalyst 

increased the interaction between Pt particles and ionomer, resulting in reduced agglom‐

eration  [180]. A similar study  reported  that using N‐methyl pyrrolidone and dimethyl 

sulfoxide as catalyst ink enables the reduction of catalysts agglomeration [181]. Polyani‐

line‐Silica (PANI‐SiO2) nanocomposite was created as a support for improving the per‐

formance of Pt/Ni  electrocatalysts,  to  improve  catalyst  stability. The Pt/Ni/SiO2‐PANI 

electrocatalyst demonstrated exceptional catalytic activity. PANI‐SiO2, as an organic–in‐

organic hybrid catalyst support, significantly  increased  the stability and CO poisoning 

tolerance of the resultant electrocatalyst, according to experimental and theoretical data 

[182]. A thin, permeable silicon oxide (SiOx) nanomembrane encapsulates a well‐defined 

Pt thin film (SiOx/Pt), is used as a catalyst‐coated membrane to improve durability. The 

proposed catalyst demonstrated exceptional CO tolerance and highly active methanol ox‐

idation, which also shows an improved lifespan compared to conventional catalyst [183]. 

TiO2‐Fe2O3@SiO2‐incorporated graphene oxide nanohybrid prepared by the hydrothermal 

method was used as a catalyst for DMFC. The nanohybrid showed greater stability with 

91.58% retaining the initial current density later on 5000 s  in the life span current–time 

curve [184]. Nickel–palladium supported onto mesostructured silica nanoparticles (NiPd–

MSN) was used as an electrocatalyst for DMFC. The results of the study showed greater 

stability toward oxidation with 61% current retention and superior tolerance to the carbo‐

naceous species accumulation compared with other electrocatalysts [185]. Poly(3,4‐ethyl) 

(PEDOT) backed with carbon‐supported Pt is used as anode catalysts for DMFC methanol 

oxidation which exhibits high mass activity and superior stability after 500 durability cy‐

cles, which is greater than those of commercial Pt/C catalyst [186]. A study demonstrated 

a dual‐template approach to produce well‐defined cage‐bell nanostructures containing Pt 

core and a mesoporous PtM (M ¼ Co, Ni) bimetallic shell (Pt@mPtM (M ¼ Co, Ni) CB). 

The  unique  nanostructure  and  bimetallic  properties  of  Pt@mPtM  (M ¼  Co, Ni)  CBs 

showed higher  catalytic activity,  superior durability, and greater CO  tolerance  for  the 

methanol oxidation reaction than commercial Pt/C [187].   

3.3. Gas Diffusion Layer   

GDL  is  the most often overlooked cell component subjected  to degradation  in  the 

DMFC system. This is attributed to the fact that the GDL degradation is much limited by 

the factors such as cell potential, porosity, and the effect due to the temperature.   

3.3.1. Cell Potential 

The diffusion layers are usually made of a carbon cloth or carbon paper that contrib‐

utes a substantial role to the species transportation and structural integrity of MEA for 

PEM and any alcohol fuel cells [188]. The carbon base provides DMFCs with fairly good 

electrical conductivity between the catalyst and current collecting plates [189]. In general, 

GDL is around 100–400 μm thick and porous, which permits gas diffusion to the catalyst. 

Thinner  layers are normally better as  they possess nominal electrical resistance and  let 

fuel and oxidants effortlessly pass through [190]. Nevertheless, carbon corrosion occurs at 

different voltage rates under several fuel cell operating conditions; however, the severity 

Page 17: A Critical Assessment on Functional Attributes and ... - MDPI

Sustainability 2021, 13, 13938  17  of  28  

is low compared to a H2‐based PEM fuel cell as the nominal operating voltage is low for 

DMFC [191].   

3.3.2. Porosity 

GDL porosity can also be one of the parameters that can impact its durability and 

performance. The GDL  is frequently wet‐proofed with a hydrophobic material such as 

Teflon® (PTFE). The hydrophobic material permits excess water rejection, thereby inhibit‐

ing flooding [192,193]. The primary physical parameters influencing GDL degradation are 

the gas permeability and the pore size diameter [194]. A study reported that the optimal 

pore size diameter to be around 25–40 μm, and greater than that would result in excess 

flooding, which degrades  the GDL; however,  increased porosity  increases  the  current 

density [195]. The Teflon® content and GDL thickness thus proven to have a larger impact 

on GDL degradation just than the porosity [196].   

3.3.3. Operating Temperature 

Limited water diffusion through the cathode GDL leads to flooding, and too much 

water diffusion can lead to cathode active layer and the polymer membrane dry triggering 

excessive cell resistance, which is called Ohmic polarization [197]. An increase in cell tem‐

perature than the standard defined level (60–100 °C) tends to dry the GDL, which conse‐

quently results in degradation [198]. On the other hand, low operating temperature is af‐

fected due to the progressive damage in carbon fiber and due to the change in the struc‐

ture of the microporous layer [199]. Nevertheless, at higher operating temperatures, in‐

herent mechanical characteristics of the GDL were drastically affected by the temperature‐

dependent parameters of the PTFE and epoxy resin resulting in a considerable reduction 

in resistance to GDL compression than found at lower operating temperatures [200].   

3.3.4. Mitigation Strategies of GDL Degradation 

The critical aspect impeding the output performance of conventional DMFCs is the 

minimum efficiency of the mass transport of oxygen, which is often a result of water flood‐

ing. Currently, researchers are largely determined on the water back diffusion from the 

cathode to the anode, as this can potentially solve the flooding at the cathode and decrease 

methanol crossover. A new hybrid catalyst  layer  (CL) was described  in a study where 

relatively hydrophobic and hydrophilic CLs were integrated to form a hybrid CL [201]. 

The results of the study showed that the hydrophilic and hydrophobic control can effi‐

ciently generate a better distribution of methanol and water concentration. A  three‐di‐

mensional graphene framework was applied to manufacture cathode MPL for improving 

water management [202]. The results indicated that the performance and stability were 

improved remarkably. From the literature review, water back diffusion improvement is 

an efficient approach for water management, inhibiting cathode flooding and reducing 

the MCO  from  the anode to  the cathode. Though substantial  improvements have been 

attained using  the aforesaid  techniques,  the oxygen mass  transport within  the catalyst 

layer is however a challenge. A trilaminar‐catalytic layered GDL design could accelerate 

the water back diffusion and encourage oxygen mass transportation. In a study, a trilami‐

nar‐catalytic  layer comprises an  inner, middle, and outer  layer  that  is used  for DMFC 

[203]. The middle layer has lower porosity compared to the inner and outer layers. This 

produces a water pressure gradient between the inner and middle layers and an oxygen 

concentration gradient between the outer and middle layers. Thus, the trilaminar‐catalytic 

layered MEA can enhance water back diffusion from the cathode to the anode, as well as 

oxygen mass transportation, by creating beneficial gradients. An optimized MPL design 

is crucial to mitigate methanol crossover and improve DMFC performance. A study on 

the effects of MPL design in a DMFC indicated that anode MPL decreases the methanol 

concentration and liquid saturation in the anode CL. Cathode MPL improves the water 

back‐flow from the cathode to the anode and Hydrophobic anode CL improves the water 

Page 18: A Critical Assessment on Functional Attributes and ... - MDPI

Sustainability 2021, 13, 13938  18  of  28  

back‐flow from the cathode to anode [204]. A study on the effect of porosity of the copper‐

fibre sintered felt (CFSF) demonstrated that GDL with a super‐hydrophobic pattern that 

has a porosity of 60% attains the best performance compared to those of )% and 80% po‐

rous, since it facilitates water removal when the water balance coefficient (WBC) is high 

[205].   

4. Influence of Water Flooding in MEA Degradation 

Cathode flooding of DMFC is a key contributor to the recoverable operational losses 

in DMFCs. Cathode  flooding  is categorized as catalyst  flooding and backing  flooding. 

Catalyst flooding is associated with several ORR active sites, the catalyst thickness, pore 

size, and its distribution [206]. The backing flooding is associated with the hydrophobicity 

and porosity of the backing layer [207]. Figure 10 [208] depicts the schematic representa‐

tion of the water flooding mechanism in DMFC. The effect of cathode flooding in DMFC 

is considerably hazardous than a PEMFC, because of the aqueous methanol feed in the 

anode [209]. Almost 80% of the overall water content of DMFC cathode originates from 

the  anode  side,  primarily  through  diffusion  and  electro‐osmotic  drag  processes.  This 

mostly degrades  the  initial  fuel cell efficiency and also  leads  to excessive voltage drop 

rates throughout prolonged operation [210].   

 

Figure 10. Water flooding mechanism in DMFC [208]. 

In general, DMFCs provide stable performance during the initial phase of a durabil‐

ity test. However, when the operating period is expanded, voltage loss is accelerated ow‐

ing  to water accumulation  [211]. Water  flooding  intensifies with  time and  is known  to 

effectively halt the operation of DMFC after only a few hundred hours of operation, par‐

ticularly while catalyst‐coated membrane (CCM)‐type MEAs are employed. The follow‐

ing performance recovery of a DMFC can be achieved by cathode drying over longer du‐

rations, that could be as extensive as a few days [212]. Water flooding in a DMFC is com‐

monly ascribed to a lack of hydrophobicity in the cathode GDL/MPL due to the dispersion 

of the poly‐tetrafluoroethylene (PTFE) additive [213]. However, emphasizing the loss of 

GDL hydrophobic character as the sole reason over such an early phase of cathode flood‐

ing  acceleration  led  to  a misinterpretation of  the precise  accelerated  rate of  structural 

changes of GDL and potentially trigger an overlook of the significant contribution by mor‐

phological changes in the CCL [214]. In a study, using the Sessile‐drop method, it is ob‐

served that decreasing hydrophobicity leads to a small contact angle of water droplets in 

the GDL fibers [215]. Despite the irreversible performance reduction, there is a chance that 

the physical degradation of electrodes, especially the cathode, will have implications for 

water drainage characteristics during a prolonged test, potentially  increasing the water 

Page 19: A Critical Assessment on Functional Attributes and ... - MDPI

Sustainability 2021, 13, 13938  19  of  28  

flooding conflict [216]. However, the number of lite is limited with linked water flooding 

behavior to morphological alterations in the CCL during protracted DMFC operation.   

5. Conclusions 

The DMFCs have the potential to play an important role in the future, specifically in 

replacing the Li‐ion‐based batteries for able and military applications. Inadequate relia‐

bility can potentially impede the commercialization of DMFCs. As a consequence, a relia‐

bility assessment can provide more insight into the component’s attributes. Therefore, the 

present assessment emphasized the general degradation mechanism of MEA components 

of DMFCs. Incidentally, the durability of the MEA components needs to be circumvented 

for these systems to penetrate the market; specifically, the long‐term durability of these 

systems should range  from 3000  to 5000 operating hours. Aside  from  the durability of 

MEA components, operational methods and design can have a substantial influence on 

the durability characteristics of MEA, which might be a prerequisite for MEA robustness. 

This critical assessment can  improve  the reliability and, subsequently, complement  the 

market penetration at a faster rate through a structured procedure which can be poten‐

tially useful for DMFC research. In this work, the reliability analysis is also carried out 

with the basic structured procedure, while excluding the system modelling and quantita‐

tive/qualitative analysis.   

The authors believe that a systematic root cause analysis or a fault tree analysis (FTA) 

method of the present literature can help DMFC researchers and manufacturers to gain a 

holistic insight into the durability mechanism in a simple yet effective manner.   

Author Contributions: Conceptualization, A.J., D.K.M. and N.M.K.;  resources, A.J. and N.M.K.; 

data curation, A.J. and N.M.K.; writing—original draft preparation, A.J., D.K.M. and N.M.K.; writ‐

ing—review and editing, A.J. and N.M.K.; visualization, D.K.M.; supervision, N.M.K.; project ad‐

ministration, A.J. and N.M.K. All authors have  read and agreed  to  the published version of  the 

manuscript. 

Funding: This research received no external funding. 

Institutional Review Board Statement: Not applicable.   

Informed Consent Statement: Not applicable. 

Data Availability Statement: Not applicable. 

Acknowledgments: The author(s) would  like  to acknowledge  the  technical  support  from SusSo 

Foundation Cares, a Non‐profitable Organization (NPO), India. 

Conflicts of Interest: The authors declare no conflicts of interest. 

References 

1. Chakraborty, S.; Kumar, N.M.; Jayakumar, A.; Dash, S.K.; Elangovan, D. Selected Aspects of Sustainable Mobility Reveals Im‐

plementable Approaches and Conceivable Actions. Sustainability 2021, 13, 12918. https://doi.org/10.3390/su132212918. 

2. Jayakumar, A. An Assessment on Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Stack Components. In Applied Physical Chemistry 

with Multidisciplinary Approaches; Apple Academic Press: Cambridge, MA, USA, 2018; ISBN 978‐1‐315‐16941‐5. 

3. Sun, C.; Negro, E.; Vezzù, K.; Pagot, G.; Cavinato, G.; Nale, A.; Herve Bang, Y.; Di Noto, V. Hybrid Inorganic‐Organic Proton‐

Conducting Membranes Based on SPEEK Doped with WO3 Nanoparticles for Application in Vanadium Redox Flow Batteries. 

Electrochim. Acta 2019, 309, 311–325. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.03.056. 

4. Garraín, D.; Banacloche, S.; Ferreira‐Aparicio, P.; Martínez‐Chaparro, A.; Lechón, Y. Sustainability Indicators for the Manufac‐

turing  and  Use  of  a  Fuel  Cell  Prototype  and  Hydrogen  Storage  for  Portable  Uses.  Energies  2021,  14,  6558. 

https://doi.org/10.3390/en14206558. 

5. Cost‐Effective Iron‐Based Aqueous Redox Flow Batteries for Large‐Scale Energy Storage Application: A Review. J. Power Sources 

2021, 493, 229445. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.229445. 

6. Wu, F.; Maier, J.; Yu, Y. Guidelines and Trends for Next‐Generation Rechargeable Lithium and Lithium‐Ion Batteries. Chem. 

Soc. Rev. 2020, 49, 1569–1614. https://doi.org/10.1039/C7CS00863E. 

7. Staffell, I.; Scamman, D.; Abad, A.V.; Balcombe, P.; Dodds, P.E.; Ekins, P.; Shah, N.; Ward, K.R. The Role of Hydrogen and Fuel 

Cells in the Global Energy System. Energy Environ. Sci. 2019, 12, 463–491. https://doi.org/10.1039/C8EE01157E. 

Page 20: A Critical Assessment on Functional Attributes and ... - MDPI

Sustainability 2021, 13, 13938  20  of  28  

8. Halme, A.;  Selkäinaho,  J.; Noponen, T.; Kohonen, A. An Alternative Concept  for DMFC—Combined Electrolyzer  and H2 

PEMFC. Int. J. Hydrog. Energy 2016, 41, 2154–2164. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.12.007. 

9. Munjewar, S.S.; Thombre, S.B.; Patil, A.P. Passive Direct Alcohol Fuel Cell Using Methanol and 2‐Propanol Mixture as a Fuel. 

Ionics 2019, 25, 2231–2241. https://doi.org/10.1007/s11581‐018‐2627‐y. 

10. Cheng, Y.; Zhang, J.; Lu, S.; Jiang, S.P. Significantly Enhanced Performance of Direct Methanol Fuel Cells at Elevated Temper‐

atures. J. Power Sources 2020, 450, 227620. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.227620. 

11. Dao, D.V.; Adilbish, G.; Le, T.D.; Nguyen, T.T.D.; Lee, I.‐H.; Yu, Y.‐T. Au@CeO2 Nanoparticles Supported Pt/C Electrocatalyst 

to  Improve  the  Removal  of  CO  in  Methanol  Oxidation  Reaction.  J.  Catal.  2019,  377,  589–599. 

https://doi.org/10.1016/j.jcat.2019.07.054. 

12. Badwal, S.P.S.; Giddey, S.; Kulkarni, A.; Goel, J.; Basu, S. Direct Ethanol Fuel Cells for Transport and Stationary Applications—

A Comprehensive Review. Appl. Energy 2015, 145, 80–103. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.02.002. 

13. Pan, Z.; Bi, Y.; An, L. Mathematical Modeling of Direct Ethylene Glycol Fuel Cells Incorporating the Effect of the Competitive 

Adsorption. Appl. Therm. Eng. 2019, 147, 1115–1124. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.10.073. 

14. Chu, Y.H.; Shul, Y.G. Combinatorial  Investigation of Pt–Ru–Sn Alloys as an Anode Electrocatalysts  for Direct Alcohol Fuel 

Cells. Int. J. Hydrog. Energy 2010, 35, 11261–11270. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2010.07.062. 

15. Achmad, F.; Kamarudin, S.K.; Daud, W.R.W.; Majlan, E.H. Passive Direct Methanol Fuel Cells for Portable Electronic Devices. 

Appl. Energy 2011, 88, 1681–1689. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2010.11.012. 

16. Bahrami, H.; Faghri, A. Review and Advances of Direct Methanol Fuel Cells: Part II: Modeling and Numerical Simulation. J. 

Power Sources 2013, 230, 303–320. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.12.009. 

17. Mallick, R.K.; Thombre, S.B.; Shrivastava, N.K. Vapor Feed Direct Methanol Fuel Cells (DMFCs): A Review. Renew. Sustain. 

Energy Rev. 2016, 56, 51–74. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.11.039. 

18. Falcão, D.S.; Oliveira, V.B.; Rangel, C.M.; Pinto, A.M.F.R. Review on Micro‐Direct Methanol Fuel Cells. Renew. Sustain. Energy 

Rev. 2014, 34, 58–70. https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.03.004. 

19. Karimi, M.B.; Mohammadi, F.; Hooshyari, K. Recent Approaches to Improve Nafion Performance for Fuel Cell Applications: A 

Review. Int. J. Hydrog. Energy 2019, 44, 28919–28938. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.09.096. 

20. Lufrano, F.; Baglio, V.; Staiti, P.; Antonucci, V.; Arico’, A.S. Performance Analysis of Polymer Electrolyte Membranes for Direct 

Methanol Fuel Cells. J. Power Sources 2013, 243, 519–534. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.05.180. 

21. Pethaiah, S.S.; Arunkumar, J.; Ramos, M.; Al‐Jumaily, A.; Manivannan, N. The Impact of Anode Design on Fuel Crossover of 

Direct Ethanol Fuel Cell. Bull. Mater. Sci. 2016, 39, 273–278. https://doi.org/10.1007/s12034‐015‐1130‐6. 

22. Kumar, P.; Dutta, K.; Das, S.; Kundu, P.P. An Overview of Unsolved Deficiencies of Direct Methanol Fuel Cell Technology: 

Factors and Parameters Affecting Its Widespread Use. Int. J. Energy Res. 2014, 38, 1367–1390. https://doi.org/10.1002/er.3163. 

23. Park, J.‐Y.; Park, K.‐Y.; Kim, K.B.; Na, Y.; Cho, H.; Kim, J.‐H. Influence and Mitigation Methods of Reaction Intermediates on 

Cell Performance  in Direct Methanol Fuel Cell System.  J. Power Sources 2011, 196, 5446–5452. https://doi.org/10.1016/j.jpow‐

sour.2011.01.108. 

24. Bresciani, F.; Rabissi, C.; Zago, M.; Gazdzicki, P.; Schulze, M.; Guétaz, L.; Escribano, S.; Bonde, J.L.; Marchesi, R.; Casalegno, A. 

A Combined In‐Situ and Post‐Mortem Investigation on Local Permanent Degradation in a Direct Methanol Fuel Cell. J. Power 

Sources 2016, 306, 49–61. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.11.105. 

25. Kreuer, K.‐D. Ion Conducting Membranes for Fuel Cells and Other Electrochemical Devices. Chem. Mater. 2014, 26, 361–380. 

https://doi.org/10.1021/cm402742u. 

26. Ahmad, H.; Kamarudin, S.K.; Hasran, U.A.; Daud, W.R.W. Overview of Hybrid Membranes for Direct‐Methanol Fuel‐Cell Ap‐

plications. Int. J. Hydrog. Energy 2010, 35, 2160–2175. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2009.12.054. 

27. Kim, D.S.; Guiver, M.; McGrath, J.; Pivovar, B.; Kim, Y.S. Molecular Design Aspect of Sulfonated Polymers for Direct Methanol 

Fuel Cells. ECS Trans. 2010, 33, 711. https://doi.org/10.1149/1.3484566. 

28. Sharma, S. Membranes for Low Temperature Fuel Cells: New Concepts, Single‐Cell Studies and Applications; De Gruyter: Berlin, Ger‐

many, 2019; ISBN 978‐3‐11‐064732‐7. 

29. Lin, H.‐L.; Wang, S.‐H. Nafion/Poly(Vinyl Alcohol) Nano‐Fiber Composite and Nafion/Poly(Vinyl Alcohol) Blend Membranes 

for Direct Methanol Fuel Cells. J. Membr. Sci. 2014, 452, 253–262. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2013.09.039. 

30. Choi, J.S.; Sohn, J.‐Y.; Shin, J. A Comparative Study on EB‐Radiation Deterioration of Nafion Membrane in Water and Isopro‐

panol Solvents. Energies 2015, 8, 5370–5380. https://doi.org/10.3390/en8065370. 

31. Aydın Ünal, F.; Erduran, V.; Timuralp, C.; Şen, F. 15–Fabrication and Properties of Polymer Electrolyte Membranes (PEM) for 

Direct Methanol Fuel Cell Application. In Nanomaterials for Direct Alcohol Fuel Cells; Şen, F., Ed.; Micro and Nano Technologies; 

Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, 2021; pp. 283–302, ISBN 978‐0‐12‐821713‐9. 

32. Ercelik, M.; Ozden, A.; Devrim, Y.; Colpan, C.O. Investigation of Nafion Based Composite Membranes on the Performance of 

DMFCs. Int. J. Hydrog. Energy 2017, 42, 2658–2668. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.06.215. 

33. Wang, J.; Liao, J.; Yang, L.; Zhang, S.; Huang, X.; Ji, J. Highly Compatible Acid–Base Blend Membranes Based on Sulfonated 

Poly(Ether Ether Ketone) and Poly(Ether Ether Ketone‐Alt‐Benzimidazole) for Fuel Cells Application. J. Membr. Sci. 2012, 415–

416, 644–653. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2012.05.045. 

34. Liu, C.; Wang, X.; Xu, J.; Wang, C.; Chen, H.; Liu, W.; Chen, Z.; Du, X.; Wang, S.; Wang, Z. PEMs with High Proton Conductivity 

and Excellent Methanol Resistance Based on Sulfonated Poly (Aryl Ether Ketone Sulfone) Containing Comb‐Shaped Structures 

for DMFCs Applications. Int. J. Hydrog. Energy 2020, 45, 945–957. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.10.166. 

Page 21: A Critical Assessment on Functional Attributes and ... - MDPI

Sustainability 2021, 13, 13938  21  of  28  

35. Dutta, K.; Das, S.; Kundu, P.P. Synthesis, Preparation, and Performance of Blends and Composites of π‐Conjugated Polymers 

and Their Copolymers in DMFCs. Polym. Rev. 2015, 55, 630–677. https://doi.org/10.1080/15583724.2015.1028631. 

36. Kludský, M.; Vopička, O.; Matějka, P.; Hovorka, Š.; Friess, K. Nafion® Modified with Primary Amines: Chemical Structure, 

Sorption Properties and Pervaporative Separation of Methanol‐Dimethyl Carbonate Mixtures. Eur. Polym. J. 2018, 99, 268–276. 

https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2017.12.028. 

37. Klose, C.; Breitwieser, M.; Vierrath, S.; Klingele, M.; Cho, H.; Büchler, A.; Kerres, J.; Thiele, S. Electrospun Sulfonated Poly(Ether 

Ketone) Nanofibers as Proton Conductive Reinforcement for Durable Nafion Composite Membranes. J. Power Sources 2017, 361, 

237–242. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.06.080. 

38. Pérez, L.C.; Brandão, L.; Sousa,  J.M.; Mendes, A. Segmented Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells—A Review. Renew. 

Sustain. Energy Rev. 2011, 15, 169–185. https://doi.org/10.1016/j.rser.2010.08.024. 

39. Prokop, M.; Kodym, R.; Bystron, T.; Drakselova, M.; Paidar, M.; Bouzek, K. Degradation Kinetics of Pt during High‐Tempera‐

ture PEM Fuel Cell Operation Part II: Dissolution Kinetics of Pt Incorporated in a Catalyst Layer of a Gas‐Diffusion Electrode. 

Electrochim. Acta 2020, 333, 135509. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.135509. 

40. Kamarudin, S.K.; Hashim, N. Materials, Morphologies and Structures of MEAs in DMFCs. Renew. Sustain. Energy Rev. 2012, 16, 

2494–2515. https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.01.073. 

41. Xinyao, Y.; Zhongqing, J.; Yuedong, M. Preparation of Anodes for DMFC by Co‐Sputtering of Platinum and Ruthenium. Plasma 

Sci. Technol. 2010, 12, 224–229. https://doi.org/10.1088/1009‐0630/12/2/18. 

42. Dutta, K.; Das, S.; Rana, D.; Kundu, P.P. Enhancements of Catalyst Distribution and Functioning Upon Utilization of Conduct‐

ing  Polymers  as  Supporting  Matrices  in  DMFCs:  A  Review.  Polym.  Rev.  2015,  55,  1–56. 

https://doi.org/10.1080/15583724.2014.958771. 

43. Gulaboski, R.; Mirceski, V.; Komorsky‐Lovric, S.; Lovric, M. Three‐Phase Electrodes: Simple and Efficient Tool for Analysis of 

Ion  Transfer  Processes  across  Liquid‐Liquid  Interface—Twenty  Years  On.  J  Solid  State  Electrochem.  2020,  24,  2575–2583. 

https://doi.org/10.1007/s10008‐020‐04629‐8. 

44. Li, Q.; Wang, T.; Havas, D.; Zhang, H.; Xu, P.; Han,  J.; Cho,  J.; Wu, G. High‐Performance Direct Methanol Fuel Cells with 

Precious‐Metal‐Free Cathode. Adv. Sci. 2016, 3, 1600140. https://doi.org/10.1002/advs.201600140. 

45. Sgroi, M.F.; Zedde, F.; Barbera, O.; Stassi, A.; Sebastián, D.; Lufrano, F.; Baglio, V.; Aricò, A.S.; Bonde, J.L.; Schuster, M. Cost 

Analysis of Direct Methanol Fuel Cell Stacks for Mass Production. Energies 2016, 9, 1008. https://doi.org/10.3390/en9121008. 

46. Samad, S.; Loh, K.S.; Wong, W.Y.; Lee, T.K.; Sunarso, J.; Chong, S.T.; Wan Daud, W.R. Carbon and Non‐Carbon Support Mate‐

rials  for  Platinum‐Based  Catalysts  in  Fuel  Cells.  Int.  J.  Hydrog.  Energy  2018,  43,  7823–7854. 

https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.02.154. 

47. Khotseng, L. Oxygen Reduction Reaction; IntechOpen: Gujarat, India, 2018; ISBN 978‐1‐78984‐813‐7. 

48. Yan, X.H.; Zhao, T.S.; An, L.; Zhao, G.; Zeng, L. A Crack‐Free and Super‐Hydrophobic Cathode Micro‐Porous Layer for Direct 

Methanol Fuel Cells. Appl. Energy 2015, 138, 331–336. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.10.044. 

49. Abdelkareem, M.A.; Sayed, E.T.; Nakagawa, N. Significance of Diffusion Layers on the Performance of Liquid and Vapor Feed 

Passive Direct Methanol Fuel Cells. Energy 2020, 209, 118492. https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.118492. 

50. Ivanova, N.A.; Alekseeva, O.K.; Fateev, V.N.; Shapir, B.L.; Spasov, D.D.; Nikitin, S.M.; Presnyakov, M.Yu.; Kolobylina, N.N.; 

Soloviev, M.A.; Mikhalev, A.I.; et al. Activity and Durability of Electrocatalytic Layers with Low Platinum Loading Prepared 

by  Magnetron  Sputtering  onto  Gas  Diffusion  Electrodes.  Int.  J.  Hydrog.  Energy  2019,  44,  29529–29536. 

https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.04.096. 

51. Netzeband, C.; Arlt, T.; Wippermann, K.; Lehnert, W.; Manke,  I. Three‐Dimensional Multiscale Analysis of Degradation of 

Nano‐ and Micro‐Structure in Direct Methanol Fuel Cell Electrodes after Methanol Starvation. J. Power Sources 2016, 327, 481–

487. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.07.094. 

52. Nagy, K.A.; Tóth, I.Y.; Ballai, G.; Varga, Á.T.; Szenti, I.; Sebők, D.; Kopniczky, J.; Hopp, B.; Kukovecz, Á. Wetting and Evapora‐

tion  on  a  Carbon  Cloth  Type  Gas  Diffusion  Layer  for  Passive  Direct Alcohol  Fuel  Cells.  J. Mol.  Liq.  2020,  304,  112698. 

https://doi.org/10.1016/j.molliq.2020.112698. 

53. Poplavsky, V.V.; Dorozhko, A.V.; Matys, V.G. Ion‐Beam Formation of Electrocatalysts for Fuel Cells with Polymer Membrane 

Electrolyte. J. Synch. Investig. 2017, 11, 326–332. https://doi.org/10.1134/S1027451017020124. 

54. Liu, G.; Li, X.; Wang, M.; Wang, M.; Kim, J.Y.; Woo, J.Y.; Wang, X.; Lee, J.K. A Study on Anode Diffusion Layer for Performance 

Enhancement  of  a  Direct Methanol  Fuel  Cell.  Energy  Convers. Manag.  2016,  126,  697–703.  https://doi.org/10.1016/j.encon‐

man.2016.08.067. 

55. Falcão, D.S.; Silva, R.A.; Rangel, C.M.; Pinto, A.M.F.R. Performance of an Active Micro Direct Methanol Fuel Cell Using Reduced 

Catalyst Loading MEAs. Energies 2017, 10, 1683. https://doi.org/10.3390/en10111683. 

56. Hsieh, S.‐S.; Hung, L.‐C.; Liu, C.‐C.; Huang, C.‐F. Analyses of Electrochemical Impedance Spectroscopy and Cyclic Voltamme‐

try in Micro‐Direct Methanol Fuel Cell Stacks. Int. J. Energy Res. 2016, 40, 2162–2175. https://doi.org/10.1002/er.3597. 

57. Rashed, M.K.; Mohd Salleh, M.A.; Abdulbari, H.A.; Shah Ismail, M.H.; Izhar, S. The Effects of Electrode and Catalyst Selection 

on Microfluidic Fuel Cell Performance. ChemBioEng Rev. 2015, 2, 356–372. https://doi.org/10.1002/cben.201500007. 

58. Gauthier, E.; Benziger, J.B. Gas Management and Multiphase Flow in Direct Alcohol Fuel Cells. Electrochim. Acta 2014, 128, 238–

247. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2013.09.047. 

59. Xue, R.; Zhang, Y.; Liu, X. A Novel Cathode Gas Diffusion Layer for Water Management of Passive μ‐DMFC. Energy 2017, 139, 

535–541. https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.08.016. 

Page 22: A Critical Assessment on Functional Attributes and ... - MDPI

Sustainability 2021, 13, 13938  22  of  28  

60. Yuan, W.; Tang, Y.; Yang, X.; Liu, B.; Wan, Z. Structural Diversity and Orientation Dependence of a Liquid‐Fed Passive Air‐

Breathing Direct Methanol Fuel Cell. Int. J. Hydrog. Energy 2012, 37, 9298–9313. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.03.013. 

61. Yi, P.; Peng, L.; Lai, X.; Li, M.; Ni, J. Investigation of Sintered Stainless Steel Fiber Felt as Gas Diffusion Layer in Proton Exchange 

Membrane Fuel Cells. Int. J. Hydrog. Energy 2012, 37, 11334–11344. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.04.161. 

62. Zhao, Z.; Zhang, F.; Zhang, Y.; Zhang, D. Performance Optimization of ΜDMFC with Foamed Stainless Steel Cathode Current 

Collector. Energies 2021, 14, 6608. https://doi.org/10.3390/en14206608. 

63. Zhang, J.; Zhu, Y.L.; Qi, G.; Li, J.Y. Current Development of Key Materials for Low Temperature Fuel Cells. Key Eng. Mater. 

2017, 727, 670–677. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.727.670. 

64. Madheswaran, D.K.; Jayakumar, A. Recent Advancements on Non‐Platinum Based Catalyst Electrode Material for Polymer 

Electrolyte  Membrane  Fuel  Cells:  A  Mini  Techno‐Economic  Review.  Bull.  Mater.  Sci.  2021,  44,  287. 

https://doi.org/10.1007/s12034‐021‐02572‐6. 

65. Yao, D.; Jao, T.‐C.; Zhang, W.; Xu, L.; Xing, L.; Ma, Q.; Xu, Q.; Li, H.; Pasupathi, S.; Su, H. In‐Situ Diagnosis on Performance 

Degradation of High Temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell by Examining Its Electrochemical Properties under 

Operation. Int. J. Hydrog. Energy 2018, 43, 21006–21016. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.09.103. 

66. Han, J.; Han, J.; Yu, S. Experimental Analysis of Performance Degradation of 3‐Cell PEMFC Stack under Dynamic Load Cycle. 

Int. J. Hydrog. Energy 2020, 45, 13045–13054. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.02.215. 

67. Chu, T.; Zhang, R.; Wang, Y.; Ou, M.; Xie, M.; Shao, H.; Yang, D.; Li, B.; Ming, P.; Zhang, C. Performance Degradation and 

Process  Engineering  of  the  10 KW  Proton  Exchange  Membrane  Fuel  Cell  Stack.  Energy  2021,  219,  119623. 

https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.119623. 

68. Casalegno, A.; Bresciani, F.; Zago, M.; Marchesi, R. Experimental Investigation of Methanol Crossover Evolution during Direct 

Methanol Fuel Cell Degradation Tests. J. Power Sources 2014, 249, 103–109. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.10.032. 

69. Shrivastava, N.K.; Chadge, R.B.; Bankar, S.L. Modelling and Simulation of Passive Feed Direct Methanol Fuel Cell. Int. J. Energy 

Technol. Policy 2017, 13, 4–18. https://doi.org/10.1504/IJETP.2017.080610. 

70. Direct  Methanol  Fuel  Cell  Methanol  and  Water  Crossover.  Available  online:  https://www.wpclipart.com/sci‐

ence/how_things_work/Direct_Methanol_Fuel_Cell__Methanol_and_Water_Crossover.png.html  (accessed  on  13 November 

2021). 

71. Xu, C.; Faghri, A.; Li, X.; Ward, T. Methanol and Water Crossover in a Passive Liquid‐Feed Direct Methanol Fuel Cell. Int. J. 

Hydrog. Energy 2010, 35, 1769–1777. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2009.12.055. 

72. Sharifi, S.; Rahimi, R.; Mohebbi‐Kalhori, D.; Colpan, C.O. Numerical Investigation of Methanol Crossover through the Mem‐

brane in a Direct Methanol Fuel Cell. Iran. J. Hydrog. Fuel Cell 2018, 5, 21–33. https://doi.org/10.22104/ijhfc.2018.2867.1170. 

73. Chi, N.T.Q.; Bae, B.; Kim, D. Electro‐Osmotic Drag Effect on the Methanol Permeation for Sulfonated Poly(Ether Ether Ketone) 

and Nafion117 Membranes. J. Nanosci. Nanotechnol. 2013, 13, 7529–7534. https://doi.org/10.1166/jnn.2013.7894. 

74. García‐Nieto, D.; Barragán, V.M. A Comparative Study of the Electro‐Osmotic Behavior of Cation and Anion Exchange Mem‐

branes in Alcohol‐Water Media. Electrochim. Acta 2015, 154, 166–176. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2014.12.070. 

75. Endo, N.; Ogawa, Y.; Ukai, K.; Kakihana, Y.; Higa, M. DMFC Performance of Polymer Electrolyte Membranes Prepared from a 

Graft‐Copolymer  Consisting  of  a  Polysulfone Main  Chain  and  Styrene  Sulfonic Acid  Side  Chains.  Energies  2016,  9,  658. 

https://doi.org/10.3390/en9080658. 

76. Huang, K.‐L.; Liao, Y.‐H.; Chen, S.‐J. Effects of Operating Parameters on Gas‐Phase PAH Emissions from a Direct Methanol 

Fuel Cell. Aerosol Air Qual. Res. 2019, 19, 2196–2204. https://doi.org/10.4209/aaqr.2019.08.0388. 

77. Yuan, Z.; Chuai, W.; Guo, Z.; Tu, Z.; Kong, F. The Self‐Adaptive Fuel Supply Mechanism in Micro DMFC Based on the Mi‐

crovalve. Micromachines 2019, 10, 353. https://doi.org/10.3390/mi10060353. 

78. Araya, S.S.; Andreasen, S.J.; Kær, S.K. Experimental Characterization of  the Poisoning Effects of Methanol‐Based Reformate 

Impurities on a PBI‐Based High Temperature PEM Fuel Cell. Energies 2012, 5, 4251. https://doi.org/10.3390/en5114251. 

79. Bogolowski, N.; Drillet, J.‐F. Appropriate Balance between Methanol Yield and Power Density in Portable Direct Methanol Fuel 

Cell. Chem. Eng. J. 2015, 270, 91–100. https://doi.org/10.1016/j.cej.2015.01.104. 

80. Ji, F.; Yang, L.; Sun, H.; Wang, S.; Li, H.;  Jiang, L.; Sun, G. A Novel Method  for Analysis and Prediction of Methanol Mass 

Transfer  in  Direct  Methanol  Fuel  Cell.  Energy  Convers.  Manag.  2017,  154,  482–490.  https://doi.org/10.1016/j.encon‐

man.2017.10.083. 

81. Ramesh, V.; Krishnamurthy, B. Modeling the Transient Temperature Distribution in a Direct Methanol Fuel Cell. J. Electroanal. 

Chem. 2018, 809, 1–7. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2017.12.015. 

82. Govindarasu, R.; Somasundaram, S. Studies on Influence of Cell Temperature in Direct Methanol Fuel Cell Operation. Processes 

2020, 8, 353. https://doi.org/10.3390/pr8030353. 

83. Andoh, S.; Fujita, A.; Miitsu, T.; Kuroda, Y.; Mitsushima, S. Practical and Reliable Methanol Concentration Sensor for Direct 

Methanol Fuel Cells. Electrochemistry 2021, https://doi.org/10.5796/electrochemistry.21‐00012. 

84. Tsen, W.‐C. Composite Proton Exchange Membranes Based on Chitosan and Phosphotungstic Acid Immobilized One‐Dimen‐

sional Attapulgite for Direct Methanol Fuel Cells. Nanomaterials 2020, 10, 1641. https://doi.org/10.3390/nano10091641. 

85. Sudaroli, B.M.; Kolar, A.K. An Experimental Study on the Effect of Membrane Thickness and PTFE (Polytetrafluoroethylene) 

Loading  on  Methanol  Crossover  in  Direct  Methanol  Fuel  Cell.  Energy  2016,  98,  204–214.  https://doi.org/10.1016/j.en‐

ergy.2015.12.101. 

Page 23: A Critical Assessment on Functional Attributes and ... - MDPI

Sustainability 2021, 13, 13938  23  of  28  

86. Gwak, G.; Lee, K.; Ferekh, S.; Lee, S.; Ju, H. Analyzing the Effects of Fluctuating Methanol Feed Concentration in Active‐Type 

Direct  Methanol  Fuel  Cell  (DMFC)  Systems.  Int.  J.  Hydrog.  Energy  2015,  40,  5396–5407. 

https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.01.062. 

87. Zhang, C.; Yue, X.; Yang, Y.; Lu, N.; Zhang, S.; Wang, G. Thin and Methanol‐Resistant Reinforced Composite Membrane Based 

on  Semi‐Crystalline  Poly  (Ether  Ether  Ketone)  for  Fuel  Cell  Applications.  J.  Power  Sources  2020,  450,  227664. 

https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.227664. 

88. Wippermann, K.; Klafki, K.; Kulikovsky, A.A. In Situ Measurement of the Oxygen Diffusion Coefficient in the Cathode Catalyst 

Layer of a Direct Methanol Fuel Cell. Electrochim. Acta 2014, 141, 212–215. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2014.06.164. 

89. Gago, A.S.; Esquivel, J.‐P.; Sabaté, N.; Santander, J.; Alonso‐Vante, N. Comprehensive Characterization and Understanding of 

Micro‐Fuel  Cells  Operating  at  High  Methanol  Concentrations.  Beilstein  J.  Nanotechnol.  2015,  6,  2000–2006. 

https://doi.org/10.3762/bjnano.6.203. 

90. Zago, M.; Bisello, A.; Baricci, A.; Rabissi, C.; Brightman, E.; Hinds, G.; Casalegno, A. On the Actual Cathode Mixed Potential in 

Direct Methanol Fuel Cells. J. Power Sources 2016, 325, 714–722. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.06.093. 

91. Majidi, P.; Altarawneh, R.M.; Ryan, N.D.W.; Pickup, P.G. Determination of the Efficiency of Methanol Oxidation in a Direct 

Methanol Fuel Cell. Electrochim. Acta 2016, 199, 210–217. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2016.03.147. 

92. Zhao, X.; Yuan, W.; Wu, Q.; Sun, H.; Luo, Z.; Fu, H. High‐Temperature Passive Direct Methanol Fuel Cells Operating with 

Concentrated Fuels. J. Power Sources 2015, 273, 517–521. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.09.128. 

93. Wan, N. High Performance Direct Methanol Fuel Cell with Thin Electrolyte Membrane. J. Power Sources 2017, 354, 167–171. 

https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.04.037. 

94. Xue, Y.; Chan, S. Layer‐by‐Layer Self‐Assembly of CHI/PVS–Nafion Composite Membrane for Reduced Methanol Crossover 

and Enhanced DMFC Performance. Int. J. Hydrog. Energy 2015, 40, 1877–1885. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.11.129. 

95. Rambabu, G.; Bhat, S.D. Carbon‐Polymer Nanocomposite Membranes as Electrolytes for Direct Methanol Fuel Cells. In Mem‐

brane Technology; CRC Press: Boca Raton, FL, USA, 2018; ISBN 978‐1‐315‐10566‐6. 

96. Yee, R.S.L.; Zhang, K.; Ladewig, B.P. The Effects of Sulfonated Poly(Ether Ether Ketone) Ion Exchange Preparation Conditions 

on Membrane Properties. Membranes 2013, 3, 182–195. https://doi.org/10.3390/membranes3030182. 

97. Iannaci, A.; Mecheri, B.; D’Epifanio, A.; Licoccia, S. Sulfated Zirconium Oxide as Electrode and Electrolyte Additive for Direct 

Methanol Fuel Cell Applications. Int. J. Hydrog. Energy 2014, 39, 11241–11249. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.05.121. 

98. Yang, C.‐C. Fabrication and Characterization of Poly(Vinyl Alcohol)/Montmorillonite/Poly(Styrene Sulfonic Acid) Proton‐Con‐

ducting  Composite  Membranes  for  Direct  Methanol  Fuel  Cells.  Int.  J.  Hydrog.  Energy  2011,  36,  4419–4431. 

https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2011.01.011. 

99. Maiti, J.; Kakati, N.; Lee, S.H.; Jee, S.H.; Viswanathan, B.; Yoon, Y.S. Where Do Poly(Vinyl Alcohol) Based Membranes Stand in 

Relation to Nafion® for Direct Methanol Fuel Cell Applications? J. Power Sources 2012, 216, 48–66. https://doi.org/10.1016/j.jpow‐

sour.2012.05.057. 

100. Zhong, S.; Cui, X.; Gao, Y.; Liu, W.; Dou, S. Fabrication and Properties of Poly(Vinyl Alcohol)‐Based Polymer Electrolyte Mem‐

branes  for  Direct  Methanol  Fuel  Cell  Applications.  Int.  J.  Hydrog.  Energy  2014,  39,  17857–17864. 

https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.08.040. 

101. Sidharthan, K.A.; Joseph, S. Preparation and Characterization of Polyvinyl Alcohol Based Nanocomposite Membrane for Direct 

Methanol Fuel Cell. AIP Conf. Proc. 2019, 2162, 020143. https://doi.org/10.1063/1.5130353. 

102. Aricò, A.S.; Sebastian, D.; Schuster, M.; Bauer, B.; D’Urso, C.; Lufrano, F.; Baglio, V. Selectivity of Direct Methanol Fuel Cell 

Membranes. Membranes 2015, 5, 793–809. https://doi.org/10.3390/membranes5040793. 

103. Katzfuß, A.; Poynton, S.; Varcoe, J.; Gogel, V.; Storr, U.; Kerres, J. Methylated Polybenzimidazole and Its Application as a Blend 

Component  in  Covalently  Cross‐Linked  Anion‐Exchange  Membranes  for  DMFC.  J.  Membr.  Sci.  2014,  465,  129–137. 

https://doi.org/10.1016/j.memsci.2014.04.004. 

104. Alam, T.M.; Hibbs, M.R. Characterization of Heterogeneous Solvent Diffusion Environments in Anion Exchange Membranes. 

Macromolecules 2014, 47, 1073–1084. https://doi.org/10.1021/ma402528v. 

105. Xu, W.; Zhao, Y.; Yuan, Z.; Li, X.; Zhang, H.; Vankelecom, I.F.J. Highly Stable Anion Exchange Membranes with Internal Cross‐

Linking Networks. Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 2583–2589. https://doi.org/10.1002/adfm.201500284. 

106. Verjulio, R.W.; Santander, J.; Ma, J.; Alonso‐Vante, N. Selective CoSe2/C Cathode Catalyst for Passive Air‐Breathing Alkaline 

Anion  Exchange Membrane  μ‐Direct Methanol  Fuel  Cell  (AEM‐ΜDMFC).  Int.  J.  Hydrog.  Energy  2016,  41,  19595–19600. 

https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.01.132. 

107. Benvenuti, T.; García‐Gabaldón, M.; Ortega, E.M.; Rodrigues, M.A.S.; Bernardes, A.M.; Pérez‐Herranz, V.; Zoppas‐Ferreira, J. 

Influence of the Co‐Ions on the Transport of Sulfate through Anion Exchange Membranes. J. Membr. Sci. 2017, 542, 320–328. 

https://doi.org/10.1016/j.memsci.2017.08.021. 

108. Higa, M.; Mehdizadeh, S.; Feng, S.; Endo, N.; Kakihana, Y. Cell Performance of Direct Methanol Alkaline Fuel Cell (DMAFC) 

Using  Anion  Exchange  Membranes  Prepared  from  PVA‐Based  Block  Copolymer.  J.  Membr.  Sci.  2020,  597,  117618. 

https://doi.org/10.1016/j.memsci.2019.117618. 

109. Hu, X.; Huang, Y.; Liu, L.; Ju, Q.; Zhou, X.; Qiao, X.; Zheng, Z.; Li, N. Piperidinium Functionalized Aryl Ether‐Free Polyaromat‐

ics  as Anion  Exchange Membrane  for Water  Electrolysers:  Performance  and Durability.  J. Membr.  Sci.  2021,  621,  118964. 

https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.118964. 

Page 24: A Critical Assessment on Functional Attributes and ... - MDPI

Sustainability 2021, 13, 13938  24  of  28  

110. Zakaria, Z.; Kamarudin, S.K. A Review of Quaternized Polyvinyl Alcohol as an Alternative Polymeric Membrane in DMFCs 

and DEFCs. Int. J. Energy Res. 2020, 44, 6223–6239. https://doi.org/10.1002/er.5314. 

111. Mustain, W.E.; Chatenet, M.; Page, M.; Kim, Y.S. Durability Challenges of Anion Exchange Membrane Fuel Cells. Energy Envi‐

ron. Sci. 2020, 13, 2805–2838. https://doi.org/10.1039/D0EE01133A. 

112. Chen, N.; Wang, H.H.; Kim, S.P.; Kim, H.M.; Lee, W.H.; Hu, C.; Bae, J.Y.; Sim, E.S.; Chung, Y.‐C.; Jang, J.‐H.; et al. Poly(Fluorenyl 

Aryl  Piperidinium) Membranes  and  Ionomers  for  Anion  Exchange Membrane  Fuel  Cells.  Nat  Commun.  2021,  12,  2367. 

https://doi.org/10.1038/s41467‐021‐22612‐3. 

113. Electrochemical  Characteristics  of  Different  Membranes  Used  for  DMFC.  Available  online:  https://www.fu‐

matech.com/EN/Membranes/Fuel‐cells/Products%2Bfumapem/index.html (accessed on 13 November 2021). 

114. Chen, X.; Li, T.; Shen, J.; Hu, Z. From Structures, Packaging to Application: A System‐Level Review for Micro Direct Methanol 

Fuel Cell. Renew. Sustain. Energy Rev. 2017, 80, 669–678. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.05.272. 

115. Xia, Z.; Zhang, X.; Sun, H.; Wang, S.; Sun, G. Recent Advances in Multi‐Scale Design and Construction of Materials for Direct 

Methanol Fuel Cells. Nano Energy 2019, 65, 104048. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104048. 

116. Yan, X.H.; Gao, P.; Zhao, G.; Shi, L.; Xu, J.B.; Zhao, T.S. Transport of Highly Concentrated Fuel in Direct Methanol Fuel Cells. 

Appl. Therm. Eng. 2017, 126, 290–295. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.07.186. 

117. Kim, J.; Jang, J.‐S.; Peck, D.‐H.; Lee, B.; Yoon, S.‐H.; Jung, D.‐H. Methanol‐Tolerant Platinum‐Palladium Catalyst Supported on 

Nitrogen‐Doped  Carbon  Nanofiber  for  High  Concentration  Direct  Methanol  Fuel  Cells.  Nanomaterials  2016,  6,  148. 

https://doi.org/10.3390/nano6080148. 

118. Lo Vecchio, C.; Sebastián, D.; Lázaro, M.J.; Aricò, A.S.; Baglio, V. Methanol‐Tolerant M–N–C Catalysts for Oxygen Reduction 

Reactions  in  Acidic  Media  and  Their  Application  in  Direct  Methanol  Fuel  Cells.  Catalysts  2018,  8,  650. 

https://doi.org/10.3390/catal8120650. 

119. Elangovan, A.; Xu, J.; Sekar, A.; Rajendran, S.; Liu, B.; Li, J. Platinum Deposited Nitrogen‐Doped Vertically Aligned Carbon 

Nanofibers as Methanol Tolerant Catalyst for Oxygen Reduction Reaction with Improved Durability. Appl. Nano 2021, 2, 303–

318. https://doi.org/10.3390/applnano2040022. 

120. Prapainainar, P.; Du, Z.; Theampetch, A.; Prapainainar, C.; Kongkachuichay, P.; Holmes, S.M. Properties and DMFC Perfor‐

mance of Nafion/Mordenite Composite Membrane Fabricated by Solution‐Casting Method with Different Solvent Ratio. Energy 

2020, 190, 116451. https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.116451. 

121. Divya, K.; Sri Abirami Saraswathi, M.S.; Rana, D.; Alwarappan, S.; Nagendran, A. Custom‐Made Sulfonated Poly (Ether Sul‐

fone) Nanocomposite Proton Exchange Membranes Using Exfoliated Molybdenum Disulfide Nanosheets for DMFC Applica‐

tions. Polymer 2018, 147, 48–55. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2018.05.054. 

122. Barbera, O.; Stassi, A.; Sebastian, D.; Bonde, J.L.; Giacoppo, G.; D’Urso, C.; Baglio, V.; Aricò, A.S. Simple and Functional Direct 

Methanol Fuel Cell Stack Designs for Application in Portable and Auxiliary Power Units. Int. J. Hydrog. Energy 2016, 41, 12320–

12329. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.05.135. 

123. Wang, L.; Yuan, Z.; Wen, F.; Cheng, Y.; Zhang, Y.; Wang, G. A Bipolar Passive DMFC Stack for Portable Applications. Energy 

2018, 144, 587–593. https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.12.039. 

124. Sombatmankhong, K.; Yunus, K.; Fisher, A.C. Electrocogeneration of Hydrogen Peroxide: Confocal and Potentiostatic Investi‐

gations  of  Hydrogen  Peroxide  Formation  in  a  Direct  Methanol  Fuel  Cell.  J.  Power  Sources  2013,  240,  219–231. 

https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.03.183. 

125. Li, Y.; Liang, L.; Liu, C.; Li, Y.; Xing, W.; Sun, J. Self‐Healing Proton‐Exchange Membranes Composed of Nafion–Poly(Vinyl 

Alcohol)  Complexes  for  Durable  Direct  Methanol  Fuel  Cells.  Adv.  Mater.  2018,  30,  1707146. 

https://doi.org/10.1002/adma.201707146. 

126. Wang, A.; Yuan, W.; Huang, S.; Tang, Y.; Chen, Y. Structural Effects of Expanded Metal Mesh Used as a Flow Field for a Passive 

Direct Methanol Fuel Cell. Appl. Energy 2017, 208, 184–194. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.10.052. 

127. Sakurai, Y.; Kawai, A. Mechanical Stress Effect on Ionic Conductivity of Perflurosulfonic Acid (PFSA) Film by Photolithography. 

J. Photopolym. Sci. Technol. 2012, 25, 723–727. https://doi.org/10.2494/photopolymer.25.723. 

128. Yuan, Z.Y.; Zhang, Y.F.; Fu, W.T.; Li, Z.P.; Liu, X.W.  Investigation of  the Direct Methanol Fuel Cell with Novel Assembly 

Method. Fuel Cells 2013, 13, 794–803. https://doi.org/10.1002/fuce.201200082. 

129. Ince, A.C.; Karaoglan, M.U.; Glüsen, A.; Colpan, C.O.; Müller, M.; Stolten, D. Semiempirical Thermodynamic Modeling of a 

Direct Methanol Fuel Cell System. Int. J. Energy Res. 2019, 43, 3601–3615. https://doi.org/10.1002/er.4508. 

130. Li, L.‐Y.; Yu, B.‐C.; Shih, C.‐M.; Lue, S.J. Polybenzimidazole Membranes for Direct Methanol Fuel Cell: Acid‐Doped or Alkali‐

Doped? J. Power Sources 2015, 287, 386–395. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.04.018. 

131. Kimiaie, N.; Trappmann, C.;  Janßen, H.; Hehemann, M.; Echsler, H.; Müller, M. Influence of Contamination with  Inorganic 

Impurities on the Durability of a 1 KW DMFC System. Fuel Cells 2014, 14, 64–75. https://doi.org/10.1002/fuce.201300047. 

132. Nicotera, I.; Simari, C.; Enotiadis, A. 2—Nafion‐Based Cation‐Exchange Membranes for Direct Methanol Fuel Cells. In Direct 

Methanol Fuel Cell Technology; Dutta, K., Ed.; Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, 2020; pp. 13–36, ISBN 978‐0‐12‐819158‐3. 

133. Wang, L.; Kang, B.; Gao, N.; Du, X.; Jia, L.; Sun, J. Corrosion Behaviour of Austenitic Stainless Steel as a Function of Methanol 

Concentration for Direct Methanol Fuel Cell Bipolar Plate. J. Power Sources 2014, 253, 332–341. https://doi.org/10.1016/j.jpow‐

sour.2013.12.043. 

Page 25: A Critical Assessment on Functional Attributes and ... - MDPI

Sustainability 2021, 13, 13938  25  of  28  

134. Simari, C.; Nicotera, I.; Aricò, A.S.; Baglio, V.; Lufrano, F. New Insights into Properties of Methanol Transport in Sulfonated 

Polysulfone  Composite  Membranes  for  Direct  Methanol  Fuel  Cells.  Polymers  2021,  13,  1386. 

https://doi.org/10.3390/polym13091386. 

135. Lufrano, E.; Simari, C.; Lo Vecchio, C.; Aricò, A.S.; Baglio, V.; Nicotera, I. Barrier Properties of Sulfonated Polysulfone/Layered 

Double Hydroxides Nanocomposite Membrane for Direct Methanol Fuel Cell Operating at High Methanol Concentrations. Int. 

J. Hydrog. Energy 2020, 45, 20647–20658. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.02.101. 

136. Li, J.; Fan, K.; Cai, W.; Ma, L.; Xu, G.; Xu, S.; Ma, L.; Cheng, H. An In‐Situ Nano‐Scale Swelling‐Filling Strategy  to Improve 

Overall  Performance  of Nafion Membrane  for Direct Methanol  Fuel  Cell Application.  J.  Power  Sources  2016,  332,  37–41. 

https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.09.108. 

137. Li, X.; Miao, Z.; Marten, L.; Blankenau, I. Experimental Measurements of Fuel and Water Crossover in an Active DMFC. Int. J. 

Hydrog. Energy 2021, 46, 4437–4446. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.11.027. 

138. Mollá, S.; Compañ, V. Polymer Blends of SPEEK for DMFC Application at Intermediate Temperatures. Int. J. Hydrog. Energy 

2014, 39, 5121–5136. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.01.085. 

139. Krishnan, N.N.; Henkensmeier, D.; Jang, J.H.; Kim, H.‐J. Nanocomposite Membranes for Polymer Electrolyte Fuel Cells. Mac‐

romol. Mater. Eng. 2014, 299, 1031–1041. https://doi.org/10.1002/mame.201300378. 

140. Zatoń, M.; Rozière, J.; Jones, D.J. Current Understanding of Chemical Degradation Mechanisms of Perfluorosulfonic Acid Mem‐

branes and Their Mitigation Strategies: A Review. Sustain. Energy Fuels 2017, 1, 409–438. https://doi.org/10.1039/C7SE00038C. 

141. Bunlengsuwan, P.; Paradee, N.; Sirivat, A. Influence of Sulfonated Graphene Oxide on Sulfonated Polysulfone Membrane for 

Direct Methanol Fuel Cell. Polym.‐Plast. Technol. Eng. 2017, 56, 1695–1703. https://doi.org/10.1080/03602559.2017.1289398. 

142. Dutta, K.; Kumar, P.; Das, S.; Kundu, P.P. Utilization of Conducting Polymers in Fabricating Polymer Electrolyte Membranes 

for Application in Direct Methanol Fuel Cells. Polym. Rev. 2014, 54, 1–32. https://doi.org/10.1080/15583724.2013.839566. 

143. Rosli, N.A.H.; Loh, K.S.; Wong, W.Y.; Yunus, R.M.; Lee, T.K.; Ahmad, A.; Chong, S.T. Review of Chitosan‐Based Polymers as 

Proton  Exchange  Membranes  and  Roles  of  Chitosan‐Supported  Ionic  Liquids.  Int.  J.  Mol.  Sci.  2020,  21,  632. 

https://doi.org/10.3390/ijms21020632. 

144. Aricò, A.S.; Stassi, A.; D’Urso, C.; Sebastián, D.; Baglio, V. Synthesis of Pd3Co1@Pt/C Core‐Shell Catalysts for Methanol‐Tolerant 

Cathodes of Direct Methanol Fuel Cells. Chem.‐A Eur. J. 2014, 20, 10679–10684. https://doi.org/10.1002/chem.201402062. 

145. Choi, B.; Nam, W.‐H.; Chung, D.Y.; Park, I.‐S.; Yoo, S.J.; Song, J.C.; Sung, Y.‐E. Enhanced Methanol Tolerance of Highly Pd Rich 

Pd‐Pt  Cathode  Electrocatalysts  in  Direct  Methanol  Fuel  Cells.  Electrochim.  Acta  2015,  164,  235–242. 

https://doi.org/10.1016/j.electacta.2015.02.203. 

146. Baglio, V.; Stassi, A.; Barbera, O.; Giacoppo, G.; Sebastian, D.; D’Urso, C.; Schuster, M.; Bauer, B.; Bonde, J.L.; Aricò, A.S. Direct 

Methanol Fuel Cell Stack for Auxiliary Power Units Applications Based on Fumapem® F‐1850 Membrane. Int. J. Hydrog. Energy 

2017, 42, 26889–26896. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.08.109. 

147. Prapainainar, P.; Pattanapisutkun, N.; Prapainainar, C.; Kongkachuichay, P.  Incorporating Graphene Oxide  to  Improve  the 

Performance of Nafion‐Mordenite Composite Membranes for a Direct Methanol Fuel Cell. Int. J. Hydrog. Energy 2019, 44, 362–

378. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.08.008. 

148. Liu, G.; Tsen, W.‐C.; Jang, S.‐C.; Hu, F.; Zhong, F.; Zhang, B.; Wang, J.; Liu, H.; Wang, G.; Wen, S.; et al. Composite Membranes 

from Quaternized Chitosan Reinforced with Surface‐Functionalized PVDF Electrospun Nanofibers for Alkaline Direct Metha‐

nol Fuel Cells. J. Membr. Sci. 2020, 611, 118242. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.118242. 

149. Mollá, S.; Compañ, V. Polyvinyl Alcohol Nanofiber Reinforced Nafion Membranes for Fuel Cell Applications. J. Membr. Sci. 

2011, 372, 191–200. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2011.02.001. 

150. Li, H.‐Y.; Lee, Y.‐Y.; Lai, J.‐Y.; Liu, Y.‐L. Composite Membranes of Nafion and Poly(Styrene Sulfonic Acid)‐Grafted Poly(Vinyl‐

idene Fluoride) Electrospun Nanofiber Mats  for Fuel Cells.  J. Membr. Sci. 2014, 466, 238–245. https://doi.org/10.1016/j.mem‐

sci.2014.04.057. 

151. Xu, G.; Wu, Z.; Xie, Z.; Wei, Z.; Li, J.; Qu, K.; Li, Y.; Cai, W. Graphene Quantum Dot Reinforced Hyperbranched Polyamide 

Proton  Exchange  Membrane  for  Direct  Methanol  Fuel  Cell.  Int.  J.  Hydrog.  Energy  2021,  46,  9782–9789. 

https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.06.303. 

152. Zhang, X.; Zhang, M.; Deng, Y.; Xu, M.; Artiglia, L.; Wen, W.; Gao, R.; Chen, B.; Yao, S.; Zhang, X.; et al. A Stable Low‐Temper‐

ature H2‐Production Catalyst by Crowding Pt on α‐MoC. Nature 2021, 589, 396–401. https://doi.org/10.1038/s41586‐020‐03130‐

6. 

153. Ramli, Z.A.C.; Kamarudin, S.K. Platinum‐Based Catalysts on Various Carbon Supports and Conducting Polymers for Direct 

Methanol Fuel Cell Applications: A Review. Nanoscale Res. Lett. 2018, 13, 1–25. https://doi.org/10.1186/s11671‐018‐2799‐4. 

154. Sahin, O.; Kivrak, H. A Comparative Study of Electrochemical Methods on Pt–Ru DMFC Anode Catalysts: The Effect of Ru 

Addition. Int. J. Hydrog. Energy 2013, 38, 901–909. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.10.066. 

155. Nie, M.; Du, S.; Li, Q.; Hummel, M.; Gu, Z.; Lu, S. Tungsten Carbide as Supports for Trimetallic AuPdPt Electrocatalysts for 

Methanol Oxidation. J. Electrochem. Soc. 2020, 167, 044510. https://doi.org/10.1149/1945‐7111/ab754d. 

156. Bresciani, F.; Rabissi, C.; Casalegno, A.; Zago, M.; Marchesi, R. Experimental Investigation on DMFC Temporary Degradation. 

Int. J. Hydrog. Energy 2014, 39, 21647–21656. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.09.072. 

157. Yaldagard, M.; Jahanshahi, M.; Seghatoleslami, N. Carbonaceous Nanostructured Support Materials for Low Temperature Fuel 

Cell Electrocatalysts—A Review. World J. Nano Sci. Eng. 2013, 3, 33. https://doi.org/10.4236/wjnse.2013.34017. 

Page 26: A Critical Assessment on Functional Attributes and ... - MDPI

Sustainability 2021, 13, 13938  26  of  28  

158. Yang, Z.; Kim, C.; Hirata, S.; Fujigaya, T.; Nakashima, N. Facile Enhancement in CO‐Tolerance of a Polymer‐Coated Pt Electro‐

catalyst Supported on Carbon Black: Comparison between Vulcan and Ketjenblack. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 15885–

15891. https://doi.org/10.1021/acsami.5b03371. 

159. Motsoeneng, R.G.; Modibedi, R.M.; Mathe, M.K.; Khotseng, L.E.; Ozoemena, K.I. The Synthesis of PdPt/Carbon Paper via Sur‐

face  Limited  Redox  Replacement  Reactions  for Oxygen  Reduction  Reaction.  Int.  J. Hydrog.  Energy  2015,  40,  16734–16744. 

https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.08.060. 

160. Xie, J.; Zhang, Q.; Gu, L.; Xu, S.; Wang, P.; Liu, J.; Ding, Y.; Yao, Y.F.; Nan, C.; Zhao, M.; et al. Ruthenium–Platinum Core–Shell 

Nanocatalysts with Substantially Enhanced Activity and Durability towards Methanol Oxidation. Nano Energy 2016, 21, 247–

257. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2016.01.013. 

161. Jovanovič, P.; Šelih, V.S.; Šala, M.; Hočevar, S.; Ruiz‐Zepeda, F.; Hodnik, N.; Bele, M.; Gaberšček, M. Potentiodynamic Dissolu‐

tion  Study  of  PtRu/C  Electrocatalyst  in  the  Presence  of  Methanol.  Electrochim.  Acta  2016,  211,  851–859. 

https://doi.org/10.1016/j.electacta.2016.06.109. 

162. Kovtunenko, V.A.; Karpenko‐Jereb, L. Lifetime of Catalyst under Voltage Cycling in Polymer Electrolyte Fuel Cell Due to Plat‐

inum Oxidation and Dissolution. Technologies 2021, 9, 80. https://doi.org/10.3390/technologies9040080. 

163. Han, M.; Zeng, J.; Xia, J.; Liao, S. Effect of Thermal Treatment on Structural Change of Anode Electrocatalysts for Direct Meth‐

anol Fuel Cells. Particuology 2014, 15, 45–50. https://doi.org/10.1016/j.partic.2012.12.007. 

164. Sharma, R.; Gyergyek, S.; Lund, P.B.; Andersen, S.M. Recovery of Pt and Ru from Spent Low‐Temperature Polymer Electrolyte 

Membrane Fuel Cell Electrodes and Recycling of Pt by Direct Redeposition of the Dissolved Precursor on Carbon. ACS Appl. 

Energy Mater. 2021, 4, 6842–6852. https://doi.org/10.1021/acsaem.1c00964. 

165. Zhang, C.; Yue, X.; Luan, J.; Lu, N.; Mu, Y.; Zhang, S.; Wang, G. Reinforced Poly(Ether Ether Ketone)/Nafion Composite Mem‐

brane with Highly Improved Proton Conductivity for High Concentration Direct Methanol Fuel Cells. ACS Appl. Energy Mater. 

2020, 3, 7180–7190. https://doi.org/10.1021/acsaem.0c01212. 

166. Schoekel, A.; Melke, J.; Bruns, M.; Wippermann, K.; Kuppler, F.; Roth, C. Quantitative Study of Ruthenium Cross‐over in Direct 

Methanol  Fuel  Cells  during  Early  Operation  Hours.  J.  Power  Sources  2016,  301,  210–218.  https://doi.org/10.1016/j.jpow‐

sour.2015.09.119. 

167. Lee, K.‐S.; Jeon, T.‐Y.; Yoo, S.J.; Park, I.‐S.; Cho, Y.‐H.; Kang, S.H.; Choi, K.H.; Sung, Y.‐E. Effect of PtRu Alloying Degree on 

Electrocatalytic Activities and Stabilities. Appl. Catal. B: Environ. 2011, 102, 334–342. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2010.12.023. 

168. Arlt, T.; Manke, I.; Wippermann, K.; Riesemeier, H.; Mergel, J.; Banhart, J. Investigation of the Local Catalyst Distribution in an 

Aged Direct Methanol Fuel Cell MEA by Means of Differential Synchrotron X‐Ray Absorption Edge Imaging with High Energy 

Resolution. J. Power Sources 2013, 221, 210–216. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.08.038. 

169. Sun, Y.; Zhou, Y.; Zhu, C.; Hu, L.; Han, M.; Wang, A.; Huang, H.; Liu, Y.; Kang, Z. A Pt–Co3O4–CD Electrocatalyst with En‐

hanced Electrocatalytic Performance and Resistance to CO Poisoning Achieved by Carbon Dots and Co3O4 for Direct Methanol 

Fuel Cells. Nanoscale 2017, 9, 5467–5474. https://doi.org/10.1039/C7NR01727H. 

170. Abdelkareem, M.A.; Masdar, M.S.; Tsujiguchi, T.; Nakagawa, N.; Sayed, E.T.; Barakat, N.A.M. Elimination of Toxic Products 

Formation in Vapor‐Feed Passive DMFC Operated by Absolute Methanol Using Air Cathode Filter. Chem. Eng. J. 2014, 240, 38–

44. https://doi.org/10.1016/j.cej.2013.11.043. 

171. Chung, D.Y.; Lee, K.‐J.; Sung, Y.‐E. Methanol Electro‐Oxidation on the Pt Surface: Revisiting the Cyclic Voltammetry Interpre‐

tation. J. Phys. Chem. C 2016, 120, 9028–9035. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b12303. 

172. Park, S.‐H.; Joo, S.‐J.; Kim, H.‐S. An Investigation into Methanol Oxidation Reactions and CO, OH Adsorption on Pt‐Ru‐Mo 

Catalysts for a Direct Methanol Fuel Cell. J. Electrochem. Soc. 2014, 161, F405. https://doi.org/10.1149/2.038404jes. 

173. Siller‐Ceniceros, A.A.; Sánchez‐Castro, M.E.; Morales‐Acosta, D.; Torres‐Lubian, J.R.; Martínez, G.E.; Rodríguez‐Varela, F.J. In‐

novative Functionalization of Vulcan XC‐72 with Ru Organometallic Complex: Significant Enhancement in Catalytic Activity 

of  Pt/C  Electrocatalyst  for  the  Methanol  Oxidation  Reaction  (MOR).  Appl.  Catal.  B:  Environ.  2017,  209,  455–467. 

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2017.03.023. 

174. Karuppanan, K.K.; Panthalingal, M.K.; Biji, P. Chapter 26—Nanoscale, Catalyst Support Materials for Proton‐Exchange Mem‐

brane Fuel Cells.  In Handbook of Nanomaterials  for  Industrial Applications; Hussain, C.M., Ed.; Micro and Nano Technologies; 

Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, 2018; pp. 468–495, ISBN 978‐0‐12‐813351‐4. 

175. Baruah, B.; Deb, P. Performance and Application of Carbon‐Based Electrocatalysts in Direct Methanol Fuel Cell. Mater. Adv. 

2021, 2, 5344–5364. https://doi.org/10.1039/D1MA00503K. 

176. Sundqvist, B. Carbon under Pressure. Phys. Rep. 2021, 909, 1–73. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2020.12.007. 177. Zainoodin, A.M.; Kamarudin, S.K.; Masdar, M.S.; Daud, W.R.W.; Mohamad, A.B.; Sahari, J. Investigation of MEA Degradation 

in  a  Passive  Direct  Methanol  Fuel  Cell  under  Different  Modes  of  Operation.  Appl.  Energy  2014,  135,  364–372. 

https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.08.036. 

178. Tsukagoshi, Y.; Ishitobi, H.; Nakagawa, N. Improved Performance of Direct Methanol Fuel Cells with the Porous Catalyst Layer 

Using Highly‐Active Nanofiber Catalyst. Carbon Resour. Convers. 2018, 1, 61–72. https://doi.org/10.1016/j.crcon.2018.03.001. 

179. Abdullah, N.; Kamarudin, S.K.; Shyuan, L.K. Novel Anodic Catalyst Support for Direct Methanol Fuel Cell: Characterizations 

and Single‐Cell Performances. Nanoscale Res. Lett. 2018, 13, 1–13. https://doi.org/10.1186/s11671‐018‐2498‐1. 

180. Vu, T.H.T.; Nguyen, M.D.; Mai, A.T.N. Influence of Solvents on the Electroactivity of PtAl/RGO Catalyst Inks and Anode in 

Direct Ethanol Fuel Cell. J. Chem. 2021, 2021, e6649089. https://doi.org/10.1155/2021/6649089. 

Page 27: A Critical Assessment on Functional Attributes and ... - MDPI

Sustainability 2021, 13, 13938  27  of  28  

181. So, M.; Ohnishi, T.; Park, K.; Ono, M.; Tsuge, Y.; Inoue, G. The Effect of Solvent and Ionomer on Agglomeration in Fuel Cell 

Catalyst  Inks:  Simulation  by  the  Discrete  Element  Method.  Int.  J.  Hydrog.  Energy  2019,  44,  28984–28995. 

https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.09.012. 

182. Lashkenari, M.S.; Ghorbani, M.; Silakhori, N.; Karimi‐Maleh, H. Enhanced Electrochemical Performance and Stability of Pt/Ni 

Electrocatalyst Supported on SiO2‐PANI Nanocomposite: A Combined Experimental and Theoretical Study. Mater. Chem. Phys. 

2021, 262, 124290. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2021.124290. 

183. Robinson, J.E.; Labrador, N.Y.; Chen, H.; Sartor, B.E.; Esposito, D.V. Silicon Oxide‐Encapsulated Platinum Thin Films as Highly 

Active  Electrocatalysts  for  Carbon  Monoxide  and  Methanol  Oxidation.  ACS  Catal.  2018,  8,  11423–11434. 

https://doi.org/10.1021/acscatal.8b03626. 

184. Yusoff, N.; Kumar, S.V.; Rameshkumar, P.; Pandikumar, A.; Shahid, M.M.; Rahman, M.A.; Huang, N.M. A Facile Preparation 

of Titanium Dioxide‐Iron Oxide@Silicon Dioxide Incorporated Reduced Graphene Oxide Nanohybrid for Electrooxidation of 

Methanol in Alkaline Medium. Electrochim. Acta 2016, 192, 167–176. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2016.01.190. 

185. Mansor, M.; Timmiati, S.N.; Wong, W.Y.; Mohd Zainoodin, A.; Lim, K.L.; Kamarudin, S.K. NiPd Supported on Mesostructured 

Silica Nanoparticle as Efficient Anode Electrocatalyst for Methanol Electrooxidation in Alkaline Media. Catalysts 2020, 10, 1235. 

https://doi.org/10.3390/catal10111235. 

186. Niyaz, M.; Sawut, N.; Jamal, R.; Abdiryim, T.; Helil, Z.; Liu, H.; Xie, S.; Song, Y. Preparation of PEDOT‐Modified Double‐Lay‐

ered Hollow Carbon Spheres as Pt Catalyst Support  for Methanol Oxidation.  Int.  J. Hydrog. Energy  2021, 46, 31623–31633. 

https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.07.069. 

187. Yin, S.; Wang, Z.; Li, C.; Yu, H.; Deng, K.; Xu, Y.; Li, X.; Wang, L.; Wang, H. Mesoporous Pt@PtM  (M = Co, Ni) Cage‐Bell 

Nanostructures toward Methanol Electro‐Oxidation. Nanoscale Adv. 2020, 2, 1084–1089. https://doi.org/10.1039/D0NA00020E. 

188. Jayakumar, A.; Sethu, S.P.; Ramos, M.; Robertson,  J.; Al‐Jumaily, A. A Technical Review on Gas Diffusion, Mechanism and 

Medium of PEM Fuel Cell. Ionics 2015, 21, 1–18. https://doi.org/10.1007/s11581‐014‐1322‐x. 

189. Deng, H.; Zhang, Y.; Zheng, X.; Li, Y.; Zhang, X.; Liu, X. A CNT (Carbon Nanotube) Paper as Cathode Gas Diffusion Electrode 

for Water Management of Passive μ‐DMFC  (Micro‐Direct Methanol Fuel Cell) with Highly Concentrated Methanol. Energy 

2015, 82, 236–241. https://doi.org/10.1016/j.energy.2015.01.034. 

190. Chen, Y.; Ke, Y.; Xia, Y.; Cho, C. Investigation on Mechanical Properties of a Carbon Paper Gas Diffusion Layer through a 3‐D 

Nonlinear and Orthotropic Constitutive Model. Energies 2021, 14, 6341. https://doi.org/10.3390/en14196341. 

191. Randrianarizafy, B.; Schott, P.; Gerard, M.; Bultel, Y. Modelling Carbon Corrosion during a PEMFC Startup: Simulation of Mit‐

igation Strategies. Energies 2020, 13, 2338. https://doi.org/10.3390/en13092338. 

192. Jayakumar, A. A Comprehensive Assessment on the Durability of Gas Diffusion Electrode Materials in PEM Fuel Cell Stack. 

Front. Energy 2019, 13, 325–338. https://doi.org/10.1007/s11708‐019‐0618‐y. 

193. Pethaiah, S.S.; Sadasivuni, K.K.; Jayakumar, A.; Ponnamma, D.; Tiwary, C.S.; Sasikumar, G. Methanol Electrolysis for Hydrogen 

Production Using Polymer Electrolyte Membrane: A Mini‐Review. Energies 2020, 13, 5879. https://doi.org/10.3390/en13225879. 

194. Kothekar, K.P.; Shrivastava, N.K.; Thombre, S.B. 11—Gas Diffusion Layers for Direct Methanol Fuel Cells. In Direct Methanol 

Fuel Cell Technology; Dutta, K., Ed.; Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, 2020; pp. 317–339, ISBN 978‐0‐12‐819158‐3. 

195. Hsieh, S.‐S.; Chen, I.‐C.; Hwong, C.‐H. Development of a Four‐Cell DMFC Stack with Air‐Breathing Cathode and Dendrite Flow 

Field. Int. J. Energy Res. 2014, 38, 1693–1711. https://doi.org/10.1002/er.3184. 

196. Hwang, C.M.; Ishida, M.; Ito, H.; Maeda, T.; Nakano, A.; Hasegawa, Y.; Yokoi, N.; Kato, A.; Yoshida, T. Influence of Properties 

of Gas Diffusion Layers on the Performance of Polymer Electrolyte‐Based Unitized Reversible Fuel Cells. Int. J. Hydrog. Energy 

2011, 36, 1740–1753. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2010.10.091. 

197. Liu, G.; Li, X.; Wang, H.; Liu, X.; Chen, M.; Woo, J.Y.; Kim, J.Y.; Wang, X.; Lee, J.K. Design of 3‐Electrode System for in Situ 

Monitoring Direct Methanol Fuel Cells during Long‐Time Running Test at High Temperature. Appl. Energy 2017, 197, 163–168. 

https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.04.016. 

198. García‐Salaberri, P.A.; Vera, M. On the Effect of Operating Conditions in Liquid‐Feed Direct Methanol Fuel Cells: A Multiphys‐

ics Modeling Approach. Energy 2016, 113, 1265–1287. https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.07.074. 

199. Kim, Y.‐S.; Peck, D.‐H.; Kim, S.‐K.; Jung, D.‐H.; Lim, S.; Kim, S.‐H. Effects of the Microstructure and Powder Compositions of a 

Micro‐Porous Layer for the Anode on the Performance of High Concentration Methanol Fuel Cell. Int. J. Hydrog. Energy 2013, 

38, 7159–7168. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.04.003. 

200. He, Y.‐L.; Miao, Z.; Zhao, T.‐S.; Yang, W.‐W. Numerical Study of the Effect of the GDL Structure on Water Crossover in a Direct 

Methanol Fuel Cell. Int. J. Hydrog. Energy 2012, 37, 4422–4438. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2011.11.102. 

201. Lee, K.; Ferekh, S.; Jo, A.; Lee, S.; Ju, H. Effects of Hybrid Catalyst Layer Design on Methanol and Water Transport in a Direct 

Methanol Fuel Cell. Electrochim. Acta 2015, 177, 209–216. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2015.02.222. 

202. Yuan, W.; Zhang, X.; Hou, C.; Zhang, Y.; Wang, H.; Liu, X. Enhanced Water Management via the Optimization of Cathode 

Microporous  Layer  Using  3D  Graphene  Frameworks  for  Direct Methanol  Fuel  Cell.  J.  Power  Sources  2020,  451,  227800. 

https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.227800. 

203. Deng, H.; Zhou, J.; Zhang, Y. A Trilaminar‐Catalytic Layered MEA Structure for a Passive Micro‐Direct Methanol Fuel Cell. 

Micromachines 2021, 12, 381. https://doi.org/10.3390/mi12040381. 

204. Ko, J.; Kang, K.; Park, S.; Kim, W.‐G.; Lee, S.‐H.; Ju, H. Effect of Design of Multilayer Electrodes in Direct Methanol Fuel Cells 

(DMFCs). Int. J. Hydrog. Energy 2014, 39, 1571–1579. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.04.069. 

Page 28: A Critical Assessment on Functional Attributes and ... - MDPI

Sustainability 2021, 13, 13938  28  of  28  

205. Yuan, W.; Han, F.; Chen, Y.; Chen, W.; Hu, J.; Tang, Y. Enhanced Water Management and Fuel Efficiency of a Fully Passive 

Direct Methanol Fuel Cell with Super‐Hydrophilic/ ‐Hydrophobic Cathode Porous Flow‐Field. J. Electrochem. Energy Convers. 

Storage 2018, 15, 031003. https://doi.org/10.1115/1.4039298. 

206. Chan, D.‐S.; Hsueh, K.‐L. A Transient Model for Fuel Cell Cathode‐Water Propagation Behavior inside a Cathode after a Step 

Potential. Energies 2010, 3, 920–939. https://doi.org/10.3390/en3050920. 

207. Wu, Q.X.; Zhao, T.S.; Yang, W.W. Effect of the Cathode Gas Diffusion Layer on the Water Transport Behavior and the Perfor‐

mance of Passive Direct Methanol Fuel Cells Operating with Neat Methanol.  Int.  J. Heat Mass Transf.  2011, 54,  1132–1143. 

https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2010.11.009. 

208. Shrestha,  S.  Fuel  Cell :  Direct  Methanol  Fuel  Cell  (DMFC).  Available  online:  https://energyandclimatechangeinfo.blog‐

spot.com/2021/06/direct‐methanol‐fuel‐cell‐dmfc‐uses.html (accessed on 12 February 2021). 

209. Kim, J.H.; Lee, G.G.; Kim, W.T. Comparison of Liquid Water Dynamics in Bent Gas Channels of a Polymer Electrolyte Mem‐

brane  Fuel  Cell  with  Different  Channel  Cross  Sections  in  a  Channel  Flooding  Situation.  Energies  2017,  10,  748. 

https://doi.org/10.3390/en10060748. 

210. Li, X.; Faghri, A.; Xu, C. Water Management of the DMFC Passively Fed with a High‐Concentration Methanol Solution. Int. J. 

Hydrog. Energy 2010, 35, 8690–8698. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2010.05.033. 

211. Wang, Z.; Zhang, X.; Nie, L.; Zhang, Y.; Liu, X. Elimination of Water Flooding of Cathode Current Collector of Micro Passive 

Direct  Methanol  Fuel  Cell  by  Superhydrophilic  Surface  Treatment.  Appl.  Energy  2014,  126,  107–112. 

https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.03.029. 

212. Sun, J.; Zhang, G.; Guo, T.; Che, G.; Jiao, K.; Huang, X. Effect of Anisotropy in Cathode Diffusion Layers on Direct Methanol 

Fuel Cell. Appl. Therm. Eng. 2020, 165, 114589. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114589. 

213. Zhang, J.; Feng, L.; Cai, W.; Liu, C.; Xing, W. The Function of Hydrophobic Cathodic Backing Layers for High Energy Passive 

Direct Methanol Fuel Cell. J. Power Sources 2011, 196, 9510–9515. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2011.07.039. 

214. Fu, X.; Ni, H.; Zhang, F.; Yang, Y.; Shao, X.; Huang, Z.; Zhang, R.; Liu, Q.; Hu, S. Polypyrrole Nanowires as a Cathode Mi‐

croporous  Layer  for  Direct Methanol  Fuel  Cell  to  Enhance  Oxygen  Transport.  Int.  J.  Energy  Res.  2021,  45,  3375–3384. 

https://doi.org/10.1002/er.5976. 

215. Hutzenlaub, T.; Paust, N.; Zengerle, R.; Ziegler, C. The Effect of Wetting Properties on the Bubble Dynamics in the Flow Field 

of Direct Methanol Fuel Cells. Meet. Abstr. 2010, 3, 177. https://doi.org/10.1149/MA2010‐01/3/177. 

216. Yuan, W.; Hou, C.; Zhang, X.; Zhong, S.; Luo, Z.; Mo, D.; Zhang, Y.; Liu, X. Constructing a Cathode Catalyst Layer of a Passive 

Direct Methanol Fuel Cell with Highly Hydrophilic Carbon Aerogel for Improved Water Management. ACS Appl. Mater. Inter‐

faces 2019, 11, 37626–37634. https://doi.org/10.1021/acsami.9b09713.